中國儲能網(wǎng)訊：以前汽車的電池總是當(dāng)做即插即用部件，但在電動汽車上，電池的角色發(fā)生了改變?，F(xiàn)如今，電池是電動汽車差異化關(guān)鍵，也是電動汽車中最重，同時也是最貴重的部件。
傳統(tǒng)汽車中的蓄電池，原本是一個相當(dāng)簡單的零部件。但在電動汽車中，動力電池組中密布各種傳感器，以監(jiān)測電池發(fā)熱狀況與老化效應(yīng)，以及動態(tài)熱負(fù)荷與自愈效應(yīng)。
最重要的，電動汽車的動力電池必須在整車架構(gòu)層面進行設(shè)計開發(fā)，因為電池的運行狀況將影響到整個系統(tǒng)，而且動力電池模塊的設(shè)計、組裝、維護還面臨諸多困難。
“每個人都清楚，電池是電動汽車中最重要，也最有難度的部件。電池決定了一部電動汽車的重要參數(shù)，比如續(xù)航里程、成本、安全，以及充電的便宜性等，” 新思科技（Synopsys）研發(fā)工程師布萊恩·凱利（Bryan Kelly）說，“續(xù)航里程短、成本高、電池組易出毛病，以及充電設(shè)施分布不均衡，是當(dāng)前純電動汽車面臨的主要困難?！?
電池提供了能量，但它需要被良好地管理與控制，這樣電動汽車其他零部件才能正常運作。
這就是系統(tǒng)開發(fā)思維能發(fā)揮作用的地方了?！皦嚎s機、水泵、馬達(dá)、輔助電源模塊，以及車載充電模塊，電動汽車需要多種功率電子器件，”凱利說道，“而且，汽車行駛時，上述模塊中的功率半導(dǎo)體開開關(guān)關(guān)，（是耗電的大頭），續(xù)航問題總會存在。
所以電動汽車中總傾向于用大電池，高功率的大電池需要有相應(yīng)的功率器件來傳輸能量。這些大功率器件的開關(guān)頻率要更高，因為功率器件的開關(guān)速度越快，傳輸電能時浪費的越少，電動汽車圍繞電池進行系統(tǒng)設(shè)計的一切都是為了能效，提高能效是底線。”
自動駕駛的引入將會大幅增加開發(fā)難度?！埃ㄒ胱詣玉{駛）必須要更早在全系統(tǒng)層面進行開發(fā)，并研究電池在系統(tǒng)中的作用，”新思科技應(yīng)用工程經(jīng)理吉姆·巴頓（Jim Patton）說道，“這需要更多的仿真，因為自動駕駛功能非常耗電。
（實現(xiàn)自動駕駛功能）開發(fā)人員需要增加一堆攝像頭，若干影像處理模塊，以及很多別的元器件，這些元器件都會增加耗電。自動駕駛功能是電動汽車中另一大耗電模塊，開發(fā)人員需要認(rèn)真計算仔細(xì)仿真（以滿足系統(tǒng)續(xù)航要求）。
上述所有功能的實現(xiàn)都要保證安全。開發(fā)人員可以自動插入開路或短路的電路，進行大量故障仿真，以應(yīng)對各種意外狀況。比如，如果交流發(fā)電機壞了會怎樣？我還能把這輛出故障的自動駕駛汽車開到路邊嗎？
“開發(fā)人員要能在安全的前提下處理這種故障，并制定相應(yīng)的策略以應(yīng)對不同故障。開發(fā)人員要對最壞狀況有應(yīng)對方案，當(dāng)最壞狀況發(fā)生，能夠把電源從非性命攸關(guān)的模塊切斷，而用以維持剎車等關(guān)鍵部件。”巴頓說道。
充電的考慮
充電速度也是電動車差異化的重要體現(xiàn)。
“十年前，我剛開始在這個領(lǐng)域工作時，電池組的成本超過1000美元/千瓦時，”西門子Mentor事業(yè)部（Mentor, a Siemens Business）新移動解決方案機械分析部總監(jiān)普尼特·辛哈（Puneet Sinha）說道，“現(xiàn)在，特斯拉Model 3或者雪佛蘭的電池成本，已經(jīng)接近150美元/千瓦時，電池成本下降非?？??！?
伴隨電池價格的下降，橫在電動車面前的主要障礙變成了如何提高充電速度。充電速度要求改變了電池的基礎(chǔ)設(shè)計。
“快充技術(shù)的發(fā)展，要求電池芯必須能在使用壽命縮減不大的前提下，承受快充條件，而且不能有隱患，”辛哈說道，“電池芯能否耐受快充條件，主要取決于電化學(xué)材料。
但從電池組層面來看，電極如何設(shè)計也會影響到電池組是否耐受快充。這些研究是非常重要的，因為短時間把150到200千瓦時的能量充入電池很有挑戰(zhàn)，而且充電時會產(chǎn)生很多熱量，所以行業(yè)內(nèi)企業(yè)在研究如何在充電時冷卻電池的技術(shù)?！?
對這些問題，德拉科汽車（Drako Motors）首席執(zhí)行官迪恩·德拉科（Dean Drako）頗有同感。德拉科汽車為自己生產(chǎn)的GTE電動超跑設(shè)計開發(fā)了電池。
GTE的電池組支持兆瓦（MW）級功率輸出，GTE要實現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的性能，電路的承載能力將受到極致挑戰(zhàn)，只有匹配相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，才能實現(xiàn)強勁而穩(wěn)定的功率輸出。
“GTE電池具備90千瓦時的容量，峰值電流可達(dá)2200安培，支持1800安培穩(wěn)定電流輸出，精心設(shè)計的電池組可以為GTE四個電動機持續(xù)提供900千瓦的驅(qū)動力。電池芯周圍密布冷卻管，大量冷卻管縱橫交錯，構(gòu)成大規(guī)模并行冷卻系統(tǒng)，可以將每一個電池芯的熱量快速散發(fā)出去?！钡吕破嚲W(wǎng)站上這樣描述道。
迪恩表示，德拉科公司在電池組設(shè)計開發(fā)上非常努力，鋰離子電池設(shè)計本身也成為整車架構(gòu)設(shè)計的一部分。
“電動汽車電源設(shè)計通?？紤]續(xù)航或功能優(yōu)先，但我們選擇了一條與眾不同的路線，因為我們瞄準(zhǔn)的是賽車市場。我們造出的汽車要能在賽道上贏得比賽，所以對電源及設(shè)計要求都非常高，而且要配備強大的冷卻系統(tǒng)，以防止電池過熱。電池在充放電時，總有部分能量以熱的形式消耗掉，這就是電池的化學(xué)特性?！?
電池與電池組設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是如何適應(yīng)寬溫度范圍工作，電池與電池組本身工作溫度范圍很窄，但汽車工作環(huán)境千差萬別，需要電池組能夠適應(yīng)寬溫度范圍與其他嚴(yán)苛的外部環(huán)境。電池組中的一個電池芯因過熱發(fā)生問題，很可能會引發(fā)整個電池組的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
“這就是為什么人們喜歡用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電池芯，因為電池芯制造商已經(jīng)對電池芯做了非常嚴(yán)格的測試，采取多種措施以確保電池芯不會爆炸，”迪恩說道，“到電池組開發(fā)階段，需要的就是在電池組內(nèi)放置足夠數(shù)量的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，時刻監(jiān)控所有狀況。”
理論上，每一個電池都會配相應(yīng)的保險絲，通過微控制器來控制電池組的狀態(tài)并決定是否熔斷保險絲。如果出現(xiàn)過熱，要有相應(yīng)的液冷設(shè)備來確保電池組溫度能降下來。如果不考慮系統(tǒng)的可靠性、安全、健壯性、功率輸出，設(shè)計出的電池組將危如累卵。
德拉科汽車電池組
來源：德拉科汽車
Mentor的辛哈同意德拉科的觀點，電動汽車充放電不是把車放到有空調(diào)的車庫去充電那么簡單。
他表示“我們的很多客戶意識到了這些問題。在充放電系統(tǒng)中，電池芯當(dāng)然很重要，但它只是整個問題的一小部分。如果對電池組的熱管理處理沒做好，即便選用全球最好的電池芯，也不能保證系統(tǒng)在充放電時的安全。在實現(xiàn)直流快充時，需要考慮的因素很多，開發(fā)人員要保證系統(tǒng)能既做到快速充電，又不浪費能源?！?
“另外，所有上述問題，如果發(fā)生，都將影響到整車架構(gòu)?！毙凉f道?！昂苌儆腥四茉诩埳狭谐觯蛘哒f出如果這個問題發(fā)生了，我將這樣應(yīng)對；如果那個問題發(fā)生了，我將那樣應(yīng)對?！?
應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)百條問題的排列組合，是專用軟件發(fā)揮作用的時候，利用軟件，開發(fā)人員能在系統(tǒng)開始設(shè)計時就能厘清有哪些技術(shù)選項，怎么才能成本更優(yōu)化，以及“如果我這樣做，將會得到這種結(jié)果；如果我那樣做，將會得到那種結(jié)果”等問題。
根據(jù)上述分析，開發(fā)團隊很容易就做出正確決定。這是我們和很多設(shè)計軟件客戶交流時得到的反饋。所以，應(yīng)用模式?jīng)Q定了采用哪種整車架構(gòu)?！?
每個環(huán)節(jié)都很重要，它們還要上下銜接?！皟?nèi)燃機車與電動車是完全不同的兩種開發(fā)思路，”辛哈說道，“內(nèi)燃機技術(shù)非常成熟，開發(fā)人員只需要選擇合適的現(xiàn)成技術(shù)，將其融入系統(tǒng)中即可，從車身、座位、到座艙技術(shù)，一切都按部就班、有章可循，但電動汽車還不是這樣。”
數(shù)據(jù)在哪里？
在半導(dǎo)體設(shè)計的某些領(lǐng)域，存在數(shù)據(jù)過多的現(xiàn)象，但在電池設(shè)計中，開發(fā)人員往往面臨數(shù)據(jù)偏少的問題。
“我已經(jīng)在這個領(lǐng)域有幾年，一門心思投入到抓取電池數(shù)據(jù)工作中，也與客戶或制造商一起合作來收集數(shù)據(jù)，但電池數(shù)據(jù)真的很難抓取?！?
新思科技的凱利說道，“（新思科技的工具）不是直接的人工智能，但借助新思科技工具，開發(fā)人員可以用最小量的數(shù)據(jù)，來推測系統(tǒng)的性能?！?
利用工具生成的可用電池組模型，可以嵌入系統(tǒng)中進行系統(tǒng)級仿真，通過設(shè)置充電初始狀態(tài)、電池組構(gòu)成參數(shù)等條件，來計算系統(tǒng)在典型歐洲工況等場景下的結(jié)果。
開發(fā)團隊可以直觀地查看各電池芯電壓與電流的變化，能量消耗，充電狀態(tài)，甚至能源效率與續(xù)航里程。
新思科技的巴頓表示，這些模型是電動汽車設(shè)計的關(guān)鍵?！昂苊黠@，電池是電動汽車的基礎(chǔ)，可能是最有挑戰(zhàn)的零部件之一，也是開發(fā)人員承擔(dān)壓力之所在，因為電池系統(tǒng)是區(qū)分不同電動車的根本。
車身重量與整車電池能量是一對難平衡的參數(shù)，增加電池數(shù)量可以增加整車電池能量，但同時也增加了車身重量，從而增加單位里程耗電量。所以，每一次增加電池容量都要同時考慮增加的車重?！?
電池的化學(xué)特性也應(yīng)考慮。“電池芯材料有很多種組合，加工成電池芯時也有很多種布局方法，不過我們有時忽略了電池芯材料在化學(xué)特性上的難點?！卑皖D說道，“功率電子就是這樣，連接電池和電動機以及車上所有需要供電的零部件，所以提高功率電子的效率很重要?！?
冷暖空調(diào)系統(tǒng)是另一個需要優(yōu)化的模塊?！白罡呖赡苡?0%的電能被用于冷卻電池，電池需要被控制在安全溫度范圍工作，”巴頓說，“再加上駕駛艙的冷暖空調(diào)，電動汽車在北方冬天時就很狼狽。
打開暖空調(diào)時，電量下降速度簡直像決堤之水，所以我們的消費者希望開發(fā)人員能盡快從系統(tǒng)層面進行改善。”
上述因素都加在一起，系統(tǒng)級面臨的挑戰(zhàn)就顯得奇大無比。
“在系統(tǒng)設(shè)計時，把所有這些相互作用的零部件放在一起，各器件又是這么復(fù)雜，不進行系統(tǒng)仿真就成了一團亂麻，不知道結(jié)果是什么。”凱利說道。
車上有太多移動部件，很多行為只靠數(shù)學(xué)計算得不到正確結(jié)果，仿真不再是可有可無，開發(fā)人員只有利用仿真工具才能得到全部設(shè)計參數(shù)。而且，電池本身就是非線性器件，有很多非線性效應(yīng)，其參數(shù)與溫度和充電狀態(tài)都有關(guān)。
所以，從系統(tǒng)層面來看，任何部件都有不可預(yù)期的工作狀況，有太多的變量，只有通過工具仿真才能理解整個系統(tǒng)，不然就像在小黑屋里亂扔飛鏢一樣不知所終。
摩爾科技（Moortec）首席執(zhí)行官斯蒂芬·科羅舍（Stephen Crosher）表示，電池的系統(tǒng)設(shè)計困難重重，但這卻為更先進技術(shù)引入打開了門路，比如片上監(jiān)控。
利用片上監(jiān)控來實現(xiàn)電池組熱監(jiān)護功能，能夠從電池中榨取更多的能量。“不管是給手機增加15分鐘播放時間，還是讓用戶不再因里程焦慮而關(guān)閉電動車中功能（比如空調(diào)），只要能延長電池壽命，就能改善用戶體驗。
電池系統(tǒng)開發(fā)面臨的困難也為很多新材料搭起上車之路，盡管這些材料從未在汽車上用過。
“以前人們都用硅材料做功率器件，但近年來，寬禁帶半導(dǎo)體材料由于在高壓、高功率應(yīng)用中的優(yōu)異特性，越來越受到重視?！毙編煟⊿ilvaco）公司市場高級總監(jiān)格拉漢姆·貝爾（Graham Bell）說道，“碳化硅和氮化鎵是功率器件中的新生力量?！?
碳化硅市場增長前景反映了功率器件材料變化趨勢。
“主要受混動與純電動汽車需求驅(qū)動，未來5到7年，碳化硅市場年復(fù)合增長率接近30%，”貝爾說道，“從供電設(shè)施到為電池充電的直流電源，碳化硅器件在電力輸送過程里的電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)用途很廣?！?
碳化硅器件另一個應(yīng)用領(lǐng)域是用在電動汽車伺服電動機等控制模塊中。當(dāng)然，碳化硅還可以用于汽車電動機或其他部件的穩(wěn)壓電路等高功率電路中?！?
結(jié)論
Mentor的辛哈表示，半導(dǎo)體與汽車電子生態(tài)圈將迎來波瀾壯闊的十年，共同經(jīng)歷汽車行業(yè)天翻地覆的變化，并見證最終的勝者。
“我們審視歷史規(guī)律，就能做出清楚的判斷，在電動汽車（無論有人駕駛還是無人駕駛）市場，那些觸類旁通、銳意創(chuàng)新、不墨守成規(guī)的企業(yè)有更大的機會贏得未來。這類企業(yè)不只遵循百年未變的老傳統(tǒng)，要有橫跨電氣、電子、機械三領(lǐng)域高度的視角，能將跨域技術(shù)有機融合，真正將三個領(lǐng)域技術(shù)融會貫通?！毙凉f道。
辛哈最后表示，“設(shè)計、制造與用戶體驗的不同，決定了如何跨域開發(fā)，電動汽車的開發(fā)要用一種更開放的融合流程，而不是沿用過去的方法?！?
