從系統(tǒng)角度如何緩解動(dòng)力電池續(xù)航焦慮？

文︱ED SPERLING

來(lái)源︱Semiconductor Engineering

編譯 | 編輯部

未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展將取決于這些汽車(chē)的使用地點(diǎn)和方式，以及電池材料、能量密度和復(fù)雜電池管理系統(tǒng)的重大進(jìn)步。

長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)的電池功耗需要平衡，并實(shí)時(shí)輸送到最需要的地方。這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，從電池陰極和陽(yáng)極中各種元素的混合物到電池和電池模塊的布局、形狀和封裝，如今車(chē)輛中的任何部件都在重新構(gòu)建。所有這些都必須以電子方式進(jìn)行監(jiān)控和管理，以確保單個(gè)電池老化過(guò)程中仍能正確充電。

用電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)只是復(fù)雜技術(shù)轉(zhuǎn)變的第一步。提高車(chē)輛一次充電的續(xù)航里程，并減少為電池充電所需的時(shí)間，可謂面臨著非常棘手的挑戰(zhàn)。電池容量始終以每年約5%至6%的速度增長(zhǎng)。為汽車(chē)提供更密集的存儲(chǔ)或更多的電池可以讓行駛時(shí)間變得更長(zhǎng)，增速變得更快，但制造這些電池所需材料的供應(yīng)受到地緣政治和環(huán)境問(wèn)題限制，因此很多企業(yè)正在考慮更多的替代方案。

問(wèn)題是如何使電池保持更多的電量的同時(shí)，還能讓快速充電更具彈性。“當(dāng)前市場(chǎng)上，在陽(yáng)極內(nèi)部混合硅（大約5%到10%）是一種解決方案，他們也正在尋找混合更多硅的方法，”英飛凌高級(jí)工程師Felix Weidner表示。“在充電過(guò)程中，把這些鋰離子泵入石墨烯，但是需要相當(dāng)多的石墨烯來(lái)制造一個(gè)鋰離子。此方案的思路是通過(guò)硅獲得更多的能量密度，因?yàn)楣杩梢圆东@更多的鋰離子。但它也有缺點(diǎn)，即硅并不是很穩(wěn)定，而且容易擴(kuò)散。否則你會(huì)使用100%硅陽(yáng)極。”

如今，鎳和鈷元素也被用來(lái)提高能量密度，降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。但是，戰(zhàn)爭(zhēng)和有限來(lái)源造成的短缺恐慌拉升了電池價(jià)格，并進(jìn)一步拉動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格的提升，促使全球市場(chǎng)積極尋找更豐富、更易于使用的新材料。

“成本是當(dāng)前限制人們購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的原因，”在Argonne儲(chǔ)能科學(xué)合作中心主任兼儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心副主任Venkat Srinivasan看來(lái)。“我們估計(jì)，今年的電池成本約為每千瓦時(shí)130美元，而典型的電動(dòng)汽車(chē)需要90千瓦時(shí)。我們認(rèn)為目標(biāo)是降低至每千瓦時(shí)65美元左右。但看起來(lái)，從今年起電池平均成本的上升僅僅是剛開(kāi)始。盡管不是所有汽車(chē)公司，因?yàn)橛行┕疽呀?jīng)因?yàn)殁捄玩嚩倘焙炗喠碎L(zhǎng)期合同。”

圖1：全球鋰離子電動(dòng)汽車(chē)電池需求預(yù)測(cè)（圖源：Argonne National Laboratory）

通常，僅增加更多的電池是為豪華車(chē)市場(chǎng)保留的昂貴選擇，這是唯一一個(gè)行駛里程為500英里的汽車(chē)市場(chǎng)。由于為空電池模塊充電比為幾乎滿(mǎn)電池模塊充電更快，因此更多或更大的電池在充電時(shí)間方面也更有優(yōu)勢(shì)。電池模塊越大，電池蓄電量也就越多，獲得另外200或300英里的續(xù)航里程的速度就越快，因?yàn)槌潆娭凶詈臅r(shí)的部分是電池快充滿(mǎn)的時(shí)候。

但續(xù)航里程也可能因其他因素而異。例如，風(fēng)阻已成為車(chē)輪設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。環(huán)境溫度甚至山區(qū)地形都可能會(huì)影響續(xù)航里程。

《消費(fèi)者報(bào)告》2019年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示，在寒冷的氣候下，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程減少了近一半。次年，Car and Driver報(bào)告說(shuō)特斯拉Model 3中提高了熱量，續(xù)航里程下降了60英里。電機(jī)不像內(nèi)燃機(jī)那樣產(chǎn)生熱量，所以基本上就像將小型烤箱連接到電池上一樣。在炎熱的天氣里，空調(diào)也有類(lèi)似的影響。

電池充電的頻率越高，這些電池的使用壽命也就越短。這通常表現(xiàn)為最大蓄電范圍隨時(shí)間推移而減小，類(lèi)似于手機(jī)中電池隨時(shí)間退化時(shí)發(fā)生的情況。但是，更換車(chē)輛中的電池比購(gòu)買(mǎi)新手機(jī)要昂貴得多。因?yàn)檫@需要保持電池模塊之間的平衡。反過(guò)來(lái)，這迫使汽車(chē)制造商更多地像芯片制造商一樣思考，其中功率預(yù)算是固定的，新的電子產(chǎn)品需要適應(yīng)該預(yù)算。

“我們的目標(biāo)是最大限度地減少充電周期的數(shù)量，因?yàn)楦鼡Q電池的成本讓消費(fèi)者敬而遠(yuǎn)之，”西門(mén)子數(shù)字工業(yè)軟件公司自主和ADAS高級(jí)總監(jiān)David Fritz表示。“系統(tǒng)消耗的功率越少，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率就越高。我們可以使用復(fù)合材料來(lái)減輕電池重量，但是效果有限。下一個(gè)重大挑戰(zhàn)是了解所有電子產(chǎn)品的作用以及其消耗量，可以通過(guò)關(guān)閉這些設(shè)備并將其置于低功耗模式來(lái)控制。這必須在我們從L3躍升到L4和L5之前布局。

電池管理

從純粹的功能角度來(lái)看，電池管理是汽車(chē)制造商的下一個(gè)重大差異化因素。雖然OEM將繼續(xù)以華麗的功能脫穎而出，但在電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)和變速器方面，獨(dú)特性和定制性有限。

電池管理比聽(tīng)起來(lái)要難得多。當(dāng)前電池管理系統(tǒng)主要包括加熱、冷卻和確定最佳電荷百分比，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。但這僅僅是個(gè)開(kāi)始。在未來(lái)，電池架構(gòu)預(yù)計(jì)將變得更加復(fù)雜，可能涉及用于不同任務(wù)和新材料的專(zhuān)用電池。預(yù)計(jì)也會(huì)有針對(duì)不良單元的解決方法，幾乎就像ECC內(nèi)存與DRAM一樣，在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持最大范圍。

為此已經(jīng)存在幾個(gè)指標(biāo)。一個(gè)是充電狀態(tài)（SOC），即電池在任何給定時(shí)刻有多少能量。第二個(gè)是健康狀態(tài)（SOH），即可用的電池容量百分比。

“健康狀況將隨著時(shí)間的推移而改變，”英飛凌系統(tǒng)應(yīng)用工程師Scott Winder指出。“有幾個(gè)因素在起作用。首先，當(dāng)電荷增加到接近其最大容量時(shí)，電池內(nèi)會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。如果充滿(mǎn)電，反應(yīng)可能不會(huì)持續(xù)那么長(zhǎng)時(shí)間。這是手機(jī)制造商一直在解決的問(wèn)題。在短途模式中，通常可以將電池充電250英里，但對(duì)于長(zhǎng)途旅行，則可以將其充電至300英里。由于電阻，還存在熱問(wèn)題。當(dāng)電池電量為空時(shí)，為電池充電更容易，但當(dāng)電池幾乎充滿(mǎn)時(shí)，則更難。因此，可以更快地啟動(dòng)，然后根據(jù)電池的溫度減少電荷。”

由于電池可能會(huì)過(guò)熱并引起火災(zāi)，因此電池也需要考慮安全層面的問(wèn)題。“電池單元健康是最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)楫?dāng)你有一輛車(chē)起火時(shí)，問(wèn)題源于單個(gè)單元，除非發(fā)生事故損壞多個(gè)單元，”Winder認(rèn)為。“也許它沒(méi)有正確充電或發(fā)生了什么故障，以至于加熱到熱失控的地步。這些單元通常密封在金屬盒中，這些金屬盒是為了試圖控制擴(kuò)散，但是在能量過(guò)剩時(shí)，最終它會(huì)擴(kuò)散到車(chē)輛的其余部分。”

聚焦在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的公司尤為關(guān)注電池內(nèi)部的熱問(wèn)題，這是引入新材料的挑戰(zhàn)之一。隨著時(shí)間的推移，一切都需要在極端條件下進(jìn)行測(cè)試，而在汽車(chē)應(yīng)用中，測(cè)試時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)五年。

“監(jiān)控電池，并判斷單個(gè)電池的狀態(tài)，”Fraunhofer IIS自適應(yīng)系統(tǒng)部門(mén)工程設(shè)計(jì)方法負(fù)責(zé)人Roland Jancke表示。“會(huì)有備用單元，但這些系統(tǒng)需要決定何時(shí)切換以及健康狀況如何。所以需要一個(gè)管理系統(tǒng)和某種電池管理芯片。搭建該系統(tǒng)需要完整的仿真，可以在其中將故障注入整個(gè)電池組，看看如果其中一個(gè)電池發(fā)生故障會(huì)發(fā)生什么，并查看電池管理系統(tǒng)的作用。它是否正確監(jiān)控所有內(nèi)容？診斷程序是否正常工作？它是否切換到另一個(gè)單元？”

電池架構(gòu)

電池的物理重量很重，需要以一種改善車(chē)輛操控性的方式將它們安裝到車(chē)輛中。它們還需要以一種為關(guān)鍵功能提供足夠能量的方式進(jìn)行布置，同時(shí)將損失降至最低，還要避免電池過(guò)熱。

“現(xiàn)在，我們將所有電池都裝在車(chē)輛底部的一個(gè)電池組中，各種OEM正在使用大量的導(dǎo)電冷卻，只是將熱量通過(guò)金屬帶到底盤(pán)，”英飛凌的Winder稱(chēng)。“還有液體冷卻，使用導(dǎo)電流體。而且，如果將電池分散開(kāi)來(lái)，以便在不同點(diǎn)將部件集成到機(jī)箱中，那么在一個(gè)區(qū)域的集中度就會(huì)低得多。另一方面，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，需要加熱電池，以便它們能夠以最高效率運(yùn)行。通過(guò)分配電池，你需要在各個(gè)地方加熱它們。”

但并非所有電池都是一樣的，也不是所有的電池都適合每一項(xiàng)任務(wù)。車(chē)輛中的某些系統(tǒng)始終處于打開(kāi)狀態(tài)。其他只能偶爾使用。打開(kāi)車(chē)輛和查看倒車(chē)攝像頭的響應(yīng)時(shí)間幾乎要求瞬間響應(yīng)，而啟動(dòng)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的延遲一兩秒通常會(huì)被忽視。這是否演變成分布式電池架構(gòu)，使用不同類(lèi)型的電池，或更好地控制現(xiàn)有電池，還有待觀察。但在這一點(diǎn)上，所有選擇都在探索中，包括可能使用氫燃料電池作為備份。

“電池非常適合乘用車(chē)等輕型車(chē)輛，”Argonne的Srinivasan認(rèn)為。“在重型卡車(chē)、輪船和飛機(jī)上，電池能量密度只有這么多。人們開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向氫燃料，它是碳中性的，或者像氨這樣的無(wú)碳燃料。當(dāng)我們開(kāi)始在不同行業(yè)的背景下看待去碳化時(shí)，不僅僅是乘用車(chē)，我們將開(kāi)始看到其他技術(shù)逐漸發(fā)揮作用。在乘用車(chē)、手機(jī)、筆記本電腦、手表等一系列應(yīng)用領(lǐng)域，都可能會(huì)有某種電池。”

圖2：電池用關(guān)鍵礦物的全球儲(chǔ)量（圖源：Argonne National Laboratory /USGS/美國(guó)能源部）

低功耗設(shè)計(jì)

當(dāng)然，功率等式的另一方面是提高車(chē)輛內(nèi)部芯片和系統(tǒng)的效率。

“人們將更加關(guān)注更智能、更高效的電子產(chǎn)品，”Arteris IP首席營(yíng)銷(xiāo)官M(fèi)ichal Siwinski表示。“我們已經(jīng)看到了其中的一些。五年前，汽車(chē)芯片曾經(jīng)以某種方式完成?，F(xiàn)在，這都是定制的流程。其中一些是監(jiān)管，另一些是電動(dòng)汽車(chē)將繼續(xù)存在的現(xiàn)實(shí)。但是，即使電池變得越來(lái)越先進(jìn)，你仍然不會(huì)有數(shù)百個(gè)，而是數(shù)千個(gè)不同的電子子系統(tǒng)和芯片，它們都將被連接起來(lái)。這絕對(duì)會(huì)消耗電力供應(yīng)。”

與所有復(fù)雜的電子產(chǎn)品一樣，最大的挑戰(zhàn)之一是弄清楚如何劃分和優(yōu)先處理電源。

“這些變化相當(dāng)于從多個(gè)分立IC到片上系統(tǒng)的過(guò)渡，”西門(mén)子的Fritz表示。我們?cè)赟oC中關(guān)閉電源的方式是時(shí)鐘門(mén)控，并在需要時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉。在汽車(chē)中，這可能很重要，但從汽車(chē)公司的角度來(lái)看，這幾乎是違反規(guī)則的。有太多的ECU正在執(zhí)行單獨(dú)的任務(wù)，以至于它們不可能打開(kāi)和關(guān)閉。我們正在與七家不同的OEM合作，他們都采取了非常不同的方法。其中一個(gè)是尋找一個(gè)L4自動(dòng)解決方案，大約需要4千瓦。我們能夠?qū)ο嗤慕鉀Q方案進(jìn)行建模，并且基于最先進(jìn)的技術(shù)，而不是一些現(xiàn)成耗電的x86系統(tǒng)，我們能夠?qū)⑵浣档偷?0瓦。一旦添加所有外圍設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)為50瓦，而不是4千瓦。這對(duì)續(xù)航里程和可持續(xù)性有影響，一次充滿(mǎn)電可減排約7磅的二氧化碳。”

總結(jié)

電池化學(xué)、電池管理和電池設(shè)計(jì)正變得越來(lái)越復(fù)雜。發(fā)展趨勢(shì)仍然是可以快速充電，持續(xù)數(shù)十萬(wàn)英里的道路，既安全又相對(duì)便宜的電池。與大多數(shù)復(fù)雜的電子產(chǎn)品一樣，一些復(fù)雜的架構(gòu)需要權(quán)衡，以及對(duì)車(chē)輛內(nèi)電力輸送和存儲(chǔ)系統(tǒng)不斷的反思。因此，雖然諸如聲音阻尼和光滑顯示器之類(lèi)的功能被用來(lái)吸引買(mǎi)家，但在大多數(shù)人從未見(jiàn)過(guò)這些技術(shù)，因?yàn)橛泻芏鄤?chuàng)新和實(shí)驗(yàn)還正在進(jìn)行中。

“汽車(chē)制造商一直試圖將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率與信息娛樂(lè)和電子設(shè)備分開(kāi)，并將其放在單獨(dú)的電動(dòng)公交車(chē)上，”Ansys半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部門(mén)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Marc Swinnen稱(chēng)。“對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，情況就不同了。這些大電池約60到70千瓦時(shí)。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，一切都與續(xù)航里程有關(guān)，其中一個(gè)大問(wèn)題是熱量。這也許可以解釋為什么密歇根州和達(dá)科他州的人們不太熱衷于電動(dòng)汽車(chē)。”

就整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)而言，這仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。