【汽車創(chuàng)新三大驅(qū)動力】系列之一： 解決電動化和電池測試挑戰(zhàn)的方法探討

電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化以及它們獨(dú)特的測試挑戰(zhàn)和解決方案，正在驅(qū)動整個汽車行業(yè)新一輪革命。本系列文章的討論順序是電動化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化，智能化雖然放在最后但依然同樣重要，例如自動駕駛。探討這三個趨勢，從第一個驅(qū)動力開始——電動化和電池。

圍繞電動汽車和電池的最大問題之一，是如何提高單次充電的容量和續(xù)航里程。而圍繞續(xù)航能力有一些關(guān)鍵績效指標(biāo)，同樣圍繞電池的效率、加速和快速充電能力也有一些關(guān)鍵績效指標(biāo)。我們今天看到的趨勢是鋰離子電池，但在未來，我們將看到向固態(tài)的轉(zhuǎn)變。這主要是由固態(tài)電池帶來的重量減輕和密度增加所推動的，而重量是影響車輛續(xù)航能力的一個關(guān)鍵因素。

距離 VS 持續(xù)時間：對電池性能來說，哪個更重要？

為了提高單次電池充電的續(xù)航能力，需要增加能量容量，有兩種潛在的方法可以做到這一點(diǎn)。 第一，可以增加車輛中每個電池組的電池單元數(shù)量，但由此也會帶來車輛的價(jià)格和重量增加，這對續(xù)航能力和消費(fèi)者來說都不是好事。 第二，可以增加以每小時瓦特為單位的電池能量密度，事實(shí)上，這也是目前業(yè)界正在追求的道路。

市場在考慮提高電池續(xù)航能力時，還采取了另一種方法，即從傳統(tǒng)的電池-模塊-電池組的方法演變，完全跳過模塊，直接從電池到電池組，從而減輕車輛的重量。 此外，還需要在電池組中的能量與如何有效地將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際推動車輛前進(jìn)的能量之間進(jìn)行有效的能量轉(zhuǎn)換，這就是牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

在電池改進(jìn)方面，正在研究的三個主要事項(xiàng)是增加每小時的瓦特?cái)?shù)，從電池模塊包中移除模塊，完全跳過模塊，以及有效的能量轉(zhuǎn)換。 那么，在這三個方面最大的挑戰(zhàn)是什么？哪一個面臨的挑戰(zhàn)最大？首先讓我們看一下電池的屬性。

動汽車的五個電池屬性

在電池中，有五個主要屬性需要考慮。

• 能量密度
• 成本
• 為車輛充電和供電的速度
• 電池壽命
• 安全性

汽車應(yīng)用對電池的獨(dú)特要求包括某些設(shè)計(jì)上的考慮，這些考慮超出了消費(fèi)電子產(chǎn)品的要求。 例如，汽車應(yīng)用有更嚴(yán)格的技術(shù)要求，如電池壽命需要持續(xù)10~15年，還需要能夠在-30~52?℃的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。 最后，它們的成本應(yīng)該低于每千瓦時一百美元。 單一的電池技術(shù)或化學(xué)成分要達(dá)到以上這五個屬性的所需水平，將是非常具有挑戰(zhàn)性的。

鋰離子電池的最大缺點(diǎn)是容易過熱，在非常高的電壓下容易損壞。 在電池的使用壽命中，能量儲存能力也會減少。未來，當(dāng)我們轉(zhuǎn)向固態(tài)電池時，其中一些權(quán)衡因素將不再是一個問題。

圍繞動力系統(tǒng)和電池的測量挑戰(zhàn)

在動力系統(tǒng)方面，電動馬達(dá)的功率和效率是評估和與電池存儲相互作用的決定性變量，它們決定了電動汽車的里程和續(xù)航能力。在動力系統(tǒng)方面，一些特定的測量，如機(jī)械測量、DQ測量、DQ0測量以及電氣測量，對確定其能量轉(zhuǎn)換效率非常重要。在電池方面，不同的測試方法是針對電池級、模塊級和系統(tǒng)級而開發(fā)的。 一旦把它們打包，用于電池級的相同儀器也可以用于系統(tǒng)級。 從電池的角度來看，一些常見的測量方法是圍繞著內(nèi)阻測量（這是一個直流測量）、開路電壓（這是在靜置一段時間后，電池兩端的電壓測量）。除了這些鋰離子電池的特征，還有泄漏電流、充電和放電脈沖等。

汽車系統(tǒng)測量的挑戰(zhàn)

電池制造商正致力于提高電池的壽命，減少充電時間和提升能量密度。因此，當(dāng)我們考慮電池組水平時，有一些汽車測試項(xiàng)比其他測試項(xiàng)更為重要，例如使用Keithley 2400系列SMU進(jìn)行母線焊接測試。當(dāng)我們把不同的電池放在一起時，我們需要檢查不正確的焊接，因?yàn)檫@會產(chǎn)生過多的熱量，從而導(dǎo)致電池性能不佳，甚至失效。然后是溫度和環(huán)境測試，以及自放電測試。電池管理系統(tǒng)是一種智能系統(tǒng)，可以監(jiān)測電池組的充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)的測試需要滿足標(biāo)準(zhǔn)。

符合測試標(biāo)準(zhǔn)

要想大幅擴(kuò)大電動汽車市場，僅靠電池技術(shù)的進(jìn)步是不夠的。政府法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的，此外，還需要完善配套充電基礎(chǔ)設(shè)施，以減少司機(jī)對車輛行駛里程的焦慮。就泰克而言，我們是多個標(biāo)準(zhǔn)組織的成員，并積極參與這些新興測量科學(xué)的進(jìn)一步研究。例如，泰克是JEDEC委員會、JC-70、70.1、70.2工作組的成員。最近在APEC 2022上，泰克提交了一篇關(guān)于DQ0的三相電機(jī)論文，使用MSO5B系列評估電機(jī)機(jī)械性能的關(guān)鍵測量方法。新的測量方法正在設(shè)計(jì)和規(guī)范中，泰克與行業(yè)合作伙伴和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)密切合作，以確保我們能夠準(zhǔn)確可靠地測量所有這些領(lǐng)域。

根據(jù)行業(yè)估計(jì)機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2030年，電池市場預(yù)計(jì)將以約30%的復(fù)合年增長率增長，達(dá)到約4,000千兆瓦時的產(chǎn)能——相當(dāng)于未來10年新增約90個千兆工廠。