為何動力電池設計困難重重?

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為何動力電池設計困難重重?

【編者按】 動力電池 作為新能源汽車的核心,其技術實力直接決定了駕駛體驗。如今動力電池的發展已經達到了一個瓶頸期,未來該如何發展仍無定數。

本文來自TechSugar,原作者安·穆奇勒;由億歐汽車整理,供業內人士參考。


以前汽車的電池總是當做即插即用部件,但在電動汽車上,電池的角色發生了改變。現如今,電池是電動汽車差異化關鍵,也是電動汽車中最重,同時也是最貴重的部件。

傳統汽車中的蓄電池,原本是一個相當簡單的零部件。但在電動汽車中,動力電池組中密布各種傳感器,以監測電池發熱狀況與老化效應,以及動態熱負荷與自愈效應。最重要的,電動汽車的動力電池必須在整車架構層面進行設計開發,因為電池的運行狀況將影響到整個系統,而且動力電池模塊的設計、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,比如續航里程、成本、安全,以及充電的便宜性等,” 新思科技(Synopsys)研發工程師布萊恩·凱利(Bryan Kelly)說,“續航里程短、成本高、電池組易出毛病,以及充電設施分布不均衡,是當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。

這就是系統開發思維能發揮作用的地方了。“壓縮機、水泵、馬達、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體開開關關,(是耗電的大頭),續航問題總會存在。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的功率器件來傳輸能量。這些大功率器件的開關頻率要更高,因為功率器件的開關速度越快,傳輸電能時浪費的越少,電動汽車圍繞電池進行系統設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難度。“(引入自動駕駛)必須要更早在全系統層面進行開發,并研究電池在系統中的作用,”新思科技應用工程經理吉姆·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。(實現自動駕駛功能)開發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,開發人員需要認真計算仔細仿真(以滿足系統續航要求)。”

上述所有功能的實現都要保證安全。“開發人員可以自動插入開路或短路的電路,進行大量故障仿真,以應對各種意外狀況。比如,'如果交流發電機壞了會怎樣?我還能把這輛出故障的自動駕駛汽車開到路邊嗎?' 開發人員要能在安全的前提下處理這種故障,并制定相應的策略以應對不同故障。開發人員要對最壞狀況有應對方案,當最壞狀況發生,能夠把電源從非性命攸關的模塊切斷,而用以維持剎車等關鍵部件。”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。“十年前,我剛開始在這個領域工作時,電池組的成本超過1000美元/千瓦時,”西門子Mentor事業部(Mentor, a Siemens Business)新移動解決方案機械分析部總監譜尼特·辛哈(Puneet Sinha)說道,“現在,特斯拉Model 3或者雪佛蘭的電池成本,已經接近150美元/千瓦時,電池成本下降非常快。”

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設計。

“快充技術的發展,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,主要取決于電化學材料,但從電池組層面來看,電極如何設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,而且充電時會產生很多熱量,所以行業內企業在研究如何在充電時冷卻電池的技術。”

對這些問題,德拉科汽車(Drako Motors)首席執行官迪恩·德拉科(Dean Drako)頗有同感。德拉科汽車為自己生產的GTE電動超跑設計開發了電池。

GTE的電池組支持兆瓦(MW)級功率輸出,GTE要實現創紀錄的性能,電路的承載能力將受到極致挑戰,只有匹配相應的冷卻系統,才能實現強勁而穩定的功率輸出。“GTE電池具備90千瓦時的容量,峰值電流可達2200安培,支持1800安培穩定電流輸出,精心設計的電池組可以為GTE四個電動機持續提供900千瓦的驅動力。電池芯周圍密布冷卻管,大量冷卻管縱橫交錯,構成大規模并行冷卻系統,可以將每一個電池芯的熱量快速散發出去。”德拉科汽車網站上這樣描述道。

迪恩表示,德拉科公司在電池組設計開發上非常努力,鋰離子電池設計本身也成為整車架構設計的一部分。“電動汽車電源設計通常考慮續航或功能優先,但我們選擇了一條與眾不同的路線,因為我們瞄準的是賽車市場。我們造出的汽車要能在賽道上贏得比賽,所以對電源及設計要求都非常高,而且要配備強大的冷卻系統,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,這就是電池的化學特性。”

電池與電池組設計的主要挑戰是如何適應寬溫度范圍工作,電池與電池組本身工作溫度范圍很窄,但汽車工作環境千差萬別,需要電池組能夠適應寬溫度范圍與其他嚴苛的外部環境。電池組中的一個電池芯因過熱發生問題,很可能會引發整個電池組的鏈式反應。

“這就是為什么人們喜歡用常規標準電池芯,因為電池芯制造商已經對電池芯做了非常嚴格的測試,采取多種措施以確保電池芯不會爆炸,”迪恩說道,“到電池組開發階段,需要的就是在電池組內放置足夠數量的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器,時刻監控所有狀況。理論上,每一個電池都會配相應的保險絲,通過微控制器來控制電池組的狀態并決定是否熔斷保險絲。如果出現過熱,要有相應的液冷設備來確保電池組溫度能降下來。如果不考慮系統的可靠性、安全、健壯性、功率輸出,設計出的電池組將危如累卵。”

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的車庫去充電那么簡單。 “我們的很多客戶意識到了這些問題。在充放電系統中,電池芯當然很重要,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,也不能保證系統在充放電時的安全。在實現直流快充時,需要考慮的因素很多,開發人員要保證系統能既做到快速充電,又不浪費能源。”

另外,所有上述問題,如果發生, 都將影響到整車架構 ,辛哈說道。“很少有人能在紙上列出,或者說出‘如果這個問題發生了,我將這樣應對;如果那個問題發生了,我將那樣應對’。應對復雜系統設計中數百條問題的排列組合,是專用軟件發揮作用的時候,利用軟件,開發人員能在系統開始設計時就能厘清有哪些技術選項,怎么才能成本更優化,以及‘如果我這樣做,將會得到這種結果;如果我那樣做,將會得到那種結果’。根據上述分析,開發團隊很容易就做出正確決定。這是我們和很多設計軟件客戶交流時得到的反饋。所以,應用模式決定了采用哪種整車架構。”

每個環節都很重要,它們還要上下銜接。“內燃機車與電動車是完全不同的兩種開發思路,”辛哈說道,“內燃機技術非常成熟,開發人員只需要選擇合適的現成技術,將其融入系統中即可,從車身、座位、到座艙技術,一切都按部就班、有章可循,但電動汽車還不是這樣。”

數據在哪里?

在半導體設計的某些領域,存在數據過多的現象,但在電池設計中,開發人員往往面臨數據偏少的問題。

“我已經在這個領域有幾年,一門心思投入到抓取電池數據工作中,也與客戶或制造商一起合作來收集數據,但電池數據真的很難抓取。”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,開發人員可以用最小量的數據,來推測系統的性能。”

利用工具生成的可用電池組模型,可以嵌入系統中進行系統級仿真,通過設置充電初始狀態、電池組構成參數等條件,來計算系統在典型歐洲工況等場景下的結果。 開發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,甚至能源效率與續航里程。

新思科技的巴頓表示,這些模型是電動汽車設計的關鍵。“很明顯,電池是電動汽車的基礎,可能是最有挑戰的零部件之一,也是開發人員承擔壓力之所在,因為電池系統是區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,增加電池數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。”

電池的化學特性也應考慮。“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特性上的難點。”巴頓說道,“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。”

冷暖空調系統是另一個需要優化的模塊。“最高可能有40%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,電動汽車在北方冬天時就很狼狽。打開暖空調時,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人員能盡快從系統層面進行改善。”

上述因素都加在一起,系統級面臨的挑戰就顯得奇大無比。

“在系統設計時,把所有這些相互作用的零部件放在一起,各器件又是這么復雜,不進行系統仿真就成了一團亂麻,不知道結果是什么。”凱利說道,“車上有太多移動部件,很多行為只靠數學計算得不到正確結果,仿真不再是可有可無,開發人員只有利用仿真工具才能得到全部設計參數。而且,電池本身就是非線性器件,有很多非線性效應,其參數與溫度和充電狀態都有關。所以,從系統層面來看,任何部件都有不可預期的工作狀況,有太多的變量,只有通過工具仿真才能理解整個系統,不然就像在小黑屋里亂扔飛鏢一樣不知所終。”

摩爾科技(Moortec)首席執行官斯蒂芬·科羅舍(Stephen Crosher)表示,電池的系統設計困難重重,但這卻為更先進技術引入打開了門路,比如片上監控。利用片上監控來實現電池組熱監護功能,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閉電動車中功能(比如空調),只要能延長電池壽命,就能改善用戶體驗。”

電池系統開發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,寬禁帶半導體材料由于在高壓、高功率應用中的優異特性,越來越受到重視。”芯師(Silvaco)公司市場高級總監格拉漢姆·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動,未來5到7年,碳化硅市場年復合增長率接近30%,”貝爾說道,“從供電設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換環節用途很廣。碳化硅器件另一個應用領域是用在電動汽車伺服電動機等控制模塊中。當然,碳化硅還可以用于汽車電動機或其他部件的穩壓電路等高功率電路中。”

結論

Mentor的辛哈表示,半導體與汽車電子生態圈將迎來波瀾壯闊的十年,共同經歷汽車行業天翻地覆的變化,并見證最終的勝者。

“我們審視歷史規律,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、銳意創新、不墨守成規的企業有更大的機會贏得未來,這類企業不只遵循百年未變的老傳統,要有橫跨電氣、電子、機械三領域高度的視角,能將跨域技術有機融合,真正將三個領域技術融會貫通。 ”辛哈說道,“設計、制造與用戶體驗的不同,決定了如何跨域開發,電動汽車的開發要用一種更開放的融合流程,而不是沿用過去的方法。”

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