為何動力電池設計困難重重？

過去，汽車電池總是作為即插即用的部件，但在電動汽車中，電池的作用已經發生了變化。如今，電池是電動車差異化的關鍵，也是電動車中最重、最貴的部件。傳統汽車中的電池原本是一個相當簡單的部件。而在電動汽車中，動力電池組中密集地封裝著各種傳感器，用于監測電池的發熱狀態和老化效果，以及動態熱負荷和自愈效果。最重要的是，電動汽車的動力電池必須在整車架構的層面進行設計和開發，因為電池的運行狀態會影響整個系統，動力電池模塊的設計、裝配和維護仍然面臨很多困難。“大家都知道，電池是電動汽車中最重要也是最難的部件。新思科技的R&D工程師布萊恩·凱利說:“電池決定了電動汽車的重要參數，如續航里程、成本、安全性和充電成本。”。“續航里程短、成本高、電池組易失效、充電設施分布不均是目前純電動汽車面臨的主要困難。電池提供能量，但需要很好地管理和控制，以便電動汽車的其他部分能夠正常運行。”這就是系統開發思維可以發揮作用的地方。“壓縮機、水泵、電機、輔助電源模塊和車載充電模塊，電動汽車需要各種電力電子設備，”凱利說。“而且汽車在行駛過程中，上述模塊中的功率半導體的開啟和關閉，是耗電大戶，續航問題會一直存在。所以電動汽車總是傾向于使用大電池，高功率的大電池需要相應的功率器件來傳遞能量。這些大功率器件的開關頻率更高，因為功率器件的開關速度越快，傳輸功率時浪費的能量就越少。電動汽車圍繞電池的系統設計一切都是為了能效，提高能效是底線。”自動駕駛的推出會大大增加開發難度。“(引入自動駕駛)必須更早地在整個系統層面進行開發，必須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。“這需要更多的模擬，因為自動駕駛功能非常耗電。開發者需要添加一堆攝像頭，幾個圖像處理模塊和很多其他組件，這些都會增加功耗。自動駕駛功能是電動汽車中另一個主要的耗電模塊，需要開發者仔細計算，仔細模擬(以滿足系統續航要求)。”以上所有功能都必須安全實現。“開發人員可以自動插入開路或短路，并進行大量的故障模擬，以應對各種突發情況。比如，‘如果交流發電機壞了會怎么樣？‘我還能把這輛拋錨的自動駕駛汽車拉到路邊嗎？’開發人員應該能夠在安全的前提下處理這種故障，并針對不同的故障制定相應的策略。開發商應該有應對最壞情況的計劃。當最壞的情況發生時，他們可以切斷非生命危險模塊的電源，以維護剎車等關鍵部件。”巴頓說。考慮充電速度也是電動車差異化的重要體現。”“十年前，當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，”西門子公司Mentor新移動解決方案機械分析部主任普內特·辛哈說。現在特斯拉ModeModel 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。“隨著電池價格的下降，電動汽車面臨的主要障礙變成了如何提高充電速度。充電速度的要求改變了電池的基本設計。”“隨著快速充電技術的發展，電池單元必須能夠承受快速充電條件，而沒有任何隱患，”辛哈說電池單元能否承受快速充電條件主要取決于電化學材料，但從電池組的角度來看，如何設計電極也會影響電池組能否承受……e快充。這些研究非常重要，因為短時間內將150到200千瓦時的能量充入電池是非常具有挑戰性的，充電時會產生大量的熱量，所以行業內的企業都在研究如何在充電時冷卻電池。德拉科汽車公司的首席執行官迪安·德拉科也有同樣的擔憂。Draco為其GTE電動超級跑車設計并開發了一款電池。GTE的電池組支持兆瓦(MW)功率輸出。為了達到創紀錄的性能，電路的承載能力將受到極大的挑戰。只有匹配相應的冷卻系統，才能實現強勁穩定的動力輸出。”GTE電池容量為90千瓦時，峰值電流可達2200安培，支持1800安培的穩定電流輸出。精心設計的電池組可以為GTE的四個馬達持續提供900千瓦的驅動力。電芯周圍密布冷卻管，大量冷卻管縱橫交錯，形成大規模的并聯冷卻系統，可以快速散熱各個電芯。“這是Draco汽車網站上的描述。迪恩表示，Draco在電池組的設計和開發方面做出了巨大努力，鋰離子電池的設計本身已經成為車輛架構設計的一部分。”電動汽車的動力設計通常會考慮續航或功能優先，但我們選擇了不同的路線，因為我們瞄準的是賽車市場。我們制造的汽車應該能夠在賽道上贏得比賽，因此它需要非常高的電源和設計，并且它應該配備強大的冷卻系統，以防止電池過熱。電池在充放電時，總有一些能量以熱量的形式消耗掉，這就是電池的化學特性。“電池和電池組設計的主要挑戰是如何適應寬溫度范圍。電池和電池組本身的工作溫度范圍很窄，但汽車的工作環境又有很大的不同，這就要求電池組適應很寬的溫度范圍和其他惡劣的外界環境。電池組中的一個電芯因過熱出現問題，很可能引發整個電池組的連鎖反應。”“這就是為什么人們喜歡使用傳統的標準電池，因為電池制造商對電池進行了非常嚴格的測試，并采取了各種措施來確保電池不會爆炸，”迪恩說在電池開發階段，需要的是在電芯中放置足夠多的溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器，時刻監控所有的狀況。理論上，每個電池都會配備相應的保險絲，電池組的狀態由微控制器控制，決定是否熔斷保險絲。如果過熱，應該有相應的液體冷卻設備，以確保電池組的溫度可以降低。如果不考慮系統的可靠性、安全性、魯棒性和功率輸出，設計出來的電池組將岌岌可危。"

Draco的Mentor的Sinha同意Draco的觀點，認為給電動汽車充放電不是把它放在有空調的車庫里充電那么簡單。“我們的許多客戶都意識到了這些問題。在充放電系統中，電芯當然很重要，但只是整個問題的一小部分。如果沒有做好電池組的熱管理，即使選擇了世界上最好的電芯，也無法保證系統在充放電過程中的安全性。實現DC快充需要考慮很多因素。開發人員應該確保系統可以快速充電，而不會浪費能源。”此外，所有上述問題，如果發生，將影響整個車輛架構，辛哈說。“很少有人能把它列在紙上，或者說，‘如果這個問題發生了，我會這樣處理；如果那個問題發生了，我會那樣處理。復雜系統設計中上百個問題的排列組合，就是特殊軟件發揮作用的時候。有了軟件，開發者可以在系統設計之初明確有哪些技術選項，如何優化成本，以及‘如果我這樣做，就會得到這個結果；如果我那樣做，我會得到那個結果。根據上面的分析，開發團隊很容易做出正確的決策。這是我們和很多設計軟件客戶交流時得到的反饋。因此，應用模式決定了采用哪種車輛架構。“每個環節都很重要，都要上下貫通。”內燃機車和電動車是兩種完全不同的發展思路，”辛哈說內燃機的技術已經很成熟了。開發人員只需要選擇合適的現成技術，并將其集成到系統中。一切都是按部就班，有章可循，從車身、座椅到駕駛艙技術，但電動車不是這樣的。“數據在哪里？在半導體設計的某些領域，數據太多，但在電池設計中，開發者往往面臨數據太少的問題。”我在這個領域已經做了好幾年了，一直致力于捕捉電池數據，也和客戶或者廠商合作過收集數據，但是電池數據真的很難捕捉。“新思科技的Kelly說，“(新思科技的工具)不是直接的人工智能，但是有了新思科技的工具，開發者就可以用最少的數據來推斷系統的性能。“工具生成的可用電池模型可以嵌入到系統中進行系統級仿真，通過設置初始充電狀態、電池組成參數等條件，可以計算出系統在典型歐洲工況下的結果。開發團隊可以直觀地查看每個電芯的電壓電流變化、能耗、充電狀態，甚至能效和續航里程。新思科技的巴頓表示，這些車型是電動汽車設計的關鍵。”顯然，電池是電動車的基礎，這可能是最具挑戰性的部分之一，也是開發者承受壓力的地方，因為電池系統是區分不同電動車的基礎。車身重量和車輛電池能量是一對難以平衡的參數。增加電池數量可以增加車輛電池能量，但同時也增加了車身重量，從而增加了單位里程的功耗。所以你每增加一次電池容量，也要考慮到增加的車重。"電池的化學特性也應該考慮. "電芯材料的組合有很多種，加工成電芯時也有很多種布局方式，但我們有時會忽略電芯材料化學特性上的難點。"巴頓說，"電力電子就是這樣，把電池和電機以及汽車里所有需要供電的部件連接起來，所以提高電力電子的效率非常重要。"加熱和冷卻空調系統是另一個需要優化的模塊. "高達40%的電力可能用于冷卻電池，電池需要被控制在安全的溫度范圍內工作，”巴頓說再加上駕駛艙的冷暖空調，電動車在北方的冬天很尷尬。開了暖空調，電量下降的速度就像潰壩的水一樣，所以我們消費者希望開發商能盡快從系統層面改善。“以上因素加起來，系統層面面臨的挑戰是極其巨大的。”在設計系統的時候，所有這些相互作用的部分都放在一起，設備如此復雜，沒有系統仿真會很亂。不知道結果如何。”凱利說，“汽車里的運動部件太多了，很多行為僅靠數學計算無法得到正確的結果。仿真不再可有可無，開發者只能通過使用仿真工具來獲得所有的設計參數。而且電池本身是一個非線性器件，有很多非線性效應，其參數與溫度和充電狀態有關。所以從系統層面來說，任何部件都有不可預知的工況和太多的變量。只有通過工具模擬才能了解整個系統，否則就像在黑屋子里扔飛鏢。Moortec首席執行官Stephen Crosher表示，電池的系統設計很困難，但它為引入更先進的技術開辟了道路，如片上監控。利用片上監控實現電池組can的熱監控功能……從電池中提取更多的能量。“無論是給手機增加15分鐘的播放時間，還是讓用戶因為里程焦慮而停止關閉電動車中的功能(比如空調)，只要能延長續航時間，就能提升用戶體驗。”電池系統開發的困難也為許多新材料上車鋪平了道路，盡管這些材料從未用于汽車。“過去，人們使用硅材料作為功率器件，但近年來，寬帶隙半導體材料因其在高電壓和大功率應用中的優異特性而越來越受到關注。”Silvaco高級營銷總監格雷厄姆·貝爾(Graham Bell)表示，“碳化硅和氮化鎵是功率器件中的新生力量。”碳化硅市場的增長前景反映了功率器件材料的變化趨勢。“主要受混合動力和純電動汽車需求的推動，碳化硅市場的復合年增長率將在未來五到七年內接近30%，”貝爾說。“從供電設施到為電池充電的DC電源，碳化硅器件廣泛用于電力傳輸過程中的電力轉換。碳化硅器件的另一個應用領域是用于電動汽車的伺服電機等控制模塊。當然，碳化硅也可以用在大功率電路中，如汽車電機的穩壓電路或其他元件中。”結語門拓的辛哈表示，半導體和汽車電子生態系統將迎來波瀾壯闊的十年，共同經歷汽車行業翻天覆地的變化，見證最后的贏家。“當我們審視歷史規律時，我們可以做出明確的判斷。在電動汽車市場(無論是有人駕駛還是無人駕駛)，那些被繞過的、創新的、標新立異的企業更有機會贏得未來。這樣的企業既沿襲了百年不變的老傳統，又有跨越電氣、電子、機械三個領域的高視角，可以有機融合跨領域技術，真正做到三個領域的技術融合。”辛哈說，“設計、制造和用戶體驗的差異決定了如何跨領域開發。電動汽車的發展應該用更開放的整合過程，而不是遵循過去的方法。”過去，汽車電池總是作為即插即用的部件，但在電動汽車中，電池的作用已經發生了變化。如今，電池是電動車差異化的關鍵，也是電動車中最重、最貴的部件。傳統汽車中的電池原本是一個相當簡單的部件。而在電動汽車中，動力電池組中密集地封裝著各種傳感器，用于監測電池的發熱狀態和老化效果，以及動態熱負荷和自愈效果。最重要的是，電動汽車的動力電池必須在整車架構的層面進行設計和開發，因為電池的運行狀態會影響整個系統，動力電池模塊的設計、裝配和維護仍然面臨很多困難。“大家都知道，電池是電動汽車中最重要也是最難的部件。新思科技的R&D工程師布萊恩·凱利說:“電池決定了電動汽車的重要參數，如續航里程、成本、安全性和充電成本。”。“續航里程短、成本高、電池組易失效、充電設施分布不均是目前純電動汽車面臨的主要困難。電池提供能量，但需要很好地管理和控制，以便電動汽車的其他部分能夠正常運行。”這就是系統開發思維可以發揮作用的地方。“壓縮機、水泵、電機、輔助電源模塊和車載充電模塊，電動汽車需要各種電力電子設備，”凱利說。“而且汽車在行駛過程中，上述模塊中的功率半導體的開啟和關閉，是耗電大戶，續航問題會一直存在。所以電動汽車總是傾向于使用大電池，高功率的大電池需要相應的功率器件來傳遞能量。這些大功率器件的開關頻率更高，因為功率器件的開關速度越快，傳輸功率時浪費的能量就越少。關于系統設計的一切……圍繞電池的電動車是為了能效，提高能效是底線。“自動駕駛的推出會大大增加開發難度。”(引入自動駕駛)必須更早地在整個系統層面開發，必須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。這需要更多的模擬，因為自動駕駛功能非常耗電。開發者需要添加一堆攝像頭，幾個圖像處理模塊和很多其他組件，這些都會增加功耗。自動駕駛功能是電動汽車中另一個主要的耗電模塊，開發者需要仔細計算，仔細模擬(滿足系統續航要求)。"以上所有功能都必須安全實現. "開發人員可以自動插入開路或短路，并進行大量的故障模擬，以應對各種突發情況。比如，‘如果交流發電機壞了會怎么樣？‘我還能把這輛拋錨的自動駕駛汽車拉到路邊嗎？’開發人員應該能夠在安全的前提下處理這種故障，并針對不同的故障制定相應的策略。開發商應該有應對最壞情況的計劃。當最壞的情況發生時，他們可以切斷非生命危險模塊的電源，以維護剎車等關鍵部件。”巴頓說。考慮充電速度也是電動車差異化的重要體現。”“十年前，當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，”西門子公司Mentor新移動解決方案機械分析部主任普內特·辛哈說。現在特斯拉ModeModel 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。“隨著電池價格的下降，電動汽車面臨的主要障礙變成了如何提高充電速度。充電速度的要求改變了電池的基本設計。”“隨著快速充電技術的發展，電池單元必須能夠承受快速充電條件，而沒有任何隱患，”辛哈說電芯能否耐受快速充電條件主要取決于電化學材料，但從電池組的角度來看，電極如何設計也會影響電池組能否耐受快速充電。這些研究非常重要，因為短時間內將150到200千瓦時的能量充入電池是非常具有挑戰性的，充電時會產生大量的熱量，所以行業內的企業都在研究如何在充電時冷卻電池。德拉科汽車公司的首席執行官迪安·德拉科也有同樣的擔憂。Draco為其GTE電動超級跑車設計并開發了一款電池。GTE的電池組支持兆瓦(MW)功率輸出。為了達到創紀錄的性能，電路的承載能力將受到極大的挑戰。只有匹配相應的冷卻系統，才能獲得強勁穩定的動力輸出。“GTE電池的容量為90千瓦時，峰值電流可達2200安培，支持1800安培的穩定電流輸出。精心設計的電池組可以為GTE的四個馬達持續提供900千瓦的驅動力。冷卻管密集分布在電芯周圍，大量冷卻管縱橫交錯，形成大規模并聯冷卻系統，可以快速為每個電芯散熱。”這是Draco汽車網站上描述的。迪恩表示，Draco在電池組的設計和開發方面下了很大功夫，鋰離子電池的設計本身也成為了車輛架構設計的一部分。“電動汽車的動力設計通常會考慮電池壽命或功能優先，但我們選擇了不同的路線，因為我們瞄準的是賽車市場。我們制造的汽車應該能夠在賽道上贏得比賽，因此它需要非常高的電源和設計，并且它應該配備強大的冷卻系統，以防止電池過熱。電池在充放電時，總有一些能量以熱量的形式消耗掉，這就是電池的化學特性。”電池和電池組設計的主要挑戰是如何適應寬溫度范圍。電池和電池組本身的工作溫度范圍很窄，但汽車的工作環境又有很大的不同，這就要求電池組適應很寬的溫度范圍和其他惡劣的外界環境。一個電池單元在……ttery pack因過熱出現問題，很可能引發整個電池組的連鎖反應。“這就是為什么人們喜歡使用傳統的標準電池單元，因為電池單元制造商對電池單元進行了非常嚴格的測試，并采取了各種措施來確保電池單元不會爆炸，”迪恩說。“在電池開發階段，需要的是在電芯中放置足夠多的溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器，以時刻監控所有的狀況。理論上，每個電池都會配備相應的保險絲，電池組的狀態由微控制器控制，決定是否熔斷保險絲。如果過熱，應該有相應的液體冷卻設備，以確保電池組的溫度可以降低。如果不考慮系統的可靠性、安全性、魯棒性和功率輸出，設計的電池組將岌岌可危。”

Draco的Mentor的Sinha同意Draco的觀點，認為給電動汽車充放電不是把它放在有空調的車庫里充電那么簡單。“我們的許多客戶都意識到了這些問題。在充放電系統中，電芯當然很重要，但只是整個問題的一小部分。如果沒有做好電池組的熱管理，即使選擇了世界上最好的電芯，也無法保證系統在充放電過程中的安全性。實現DC快充需要考慮很多因素。開發人員應該確保系統可以快速充電，而不會浪費能源。”此外，所有上述問題，如果發生，將影響整個車輛架構，辛哈說。“很少有人能把它列在紙上，或者說，‘如果這個問題發生了，我會這樣處理；如果那個問題發生了，我會那樣處理。復雜系統設計中上百個問題的排列組合，就是特殊軟件發揮作用的時候。有了軟件，開發者可以在系統設計之初明確有哪些技術選項，如何優化成本，以及‘如果我這樣做，就會得到這個結果；如果我那樣做，我會得到那個結果。根據上面的分析，開發團隊很容易做出正確的決策。這是我們和很多設計軟件客戶交流時得到的反饋。因此，應用模式決定了采用哪種車輛架構。“每個環節都很重要，都要上下貫通。”內燃機車和電動車是兩種完全不同的發展思路，”辛哈說內燃機的技術已經很成熟了。開發人員只需要選擇合適的現成技術，并將其集成到系統中。一切都是按部就班，有章可循，從車身、座椅到駕駛艙技術，但電動車不是這樣的。“數據在哪里？在半導體設計的某些領域，數據太多，但在電池設計中，開發者往往面臨數據太少的問題。”我在這個領域已經做了好幾年了，一直致力于捕捉電池數據，也和客戶或者廠商合作過收集數據，但是電池數據真的很難捕捉。“新思科技的Kelly說，“(新思科技的工具)不是直接的人工智能，但是有了新思科技的工具，開發者就可以用最少的數據來推斷系統的性能。“工具生成的可用電池模型可以嵌入到系統中進行系統級仿真，通過設置初始充電狀態、電池組成參數等條件，可以計算出系統在典型歐洲工況下的結果。開發團隊可以直觀地查看每個電芯的電壓電流變化、能耗、充電狀態，甚至能效和續航里程。新思科技的巴頓表示，這些車型是電動汽車設計的關鍵。”顯然，電池是電動車的基礎，這可能是最具挑戰性的部分之一，也是開發者承受壓力的地方，因為電池系統是區分不同電動車的基礎。車身重量和車輛電池能量是一對難以平衡的參數。增加電池數量可以增加車輛電池能量，但同時也增加了車身重量，從而增加了單位里程的功耗。所以你每增加一次電池容量，也要考慮到增加的車重。"電池的化學特性也應該考慮. "電芯材料的組合有很多種，加工成電芯時也有很多種布局方式，但我們有時會忽略電芯材料化學特性上的難點。"巴頓說，"電力電子就是這樣，把電池和電機以及汽車里所有需要供電的部件連接起來，所以提高電力電子的效率非常重要。"加熱和冷卻空調系統是另一個需要優化的模塊. "高達40%的電力可能用于冷卻電池，電池需要被控制在安全的溫度范圍內工作，”巴頓說再加上駕駛艙的冷暖空調，電動車在北方的冬天很尷尬。開了暖空調，電量下降的速度就像潰壩的水一樣，所以我們消費者希望開發商能盡快從系統層面改善。“以上因素加起來，系統層面面臨的挑戰是極其巨大的。”在設計系統的時候，所有這些相互作用的部分都放在一起，設備如此復雜，沒有系統仿真會很亂。不知道結果如何。”凱利說，“汽車里的運動部件太多了，很多行為僅靠數學計算無法得到正確的結果。仿真不再可有可無，開發者只能通過使用仿真工具來獲得所有的設計參數。而且電池本身是一個非線性器件，有很多非線性效應，其參數與溫度和充電狀態有關。所以從系統層面來說，任何部件都有不可預知的工況和太多的變量。只有通過工具模擬才能了解整個系統，否則就像在黑屋子里扔飛鏢。Moortec首席執行官Stephen Crosher表示，電池的系統設計很困難，但它為引入更先進的技術開辟了道路，如片上監控。利用片上監控實現電池組can的熱監控功能……從電池中提取更多的能量。“無論是給手機增加15分鐘的播放時間，還是讓用戶因為里程焦慮而停止關閉電動車中的功能(比如空調)，只要能延長續航時間，就能提升用戶體驗。”電池系統開發的困難也為許多新材料上車鋪平了道路，盡管這些材料從未用于汽車。“過去，人們使用硅材料作為功率器件，但近年來，寬帶隙半導體材料因其在高電壓和大功率應用中的優異特性而越來越受到關注。”Silvaco高級營銷總監格雷厄姆·貝爾(Graham Bell)表示，“碳化硅和氮化鎵是功率器件中的新生力量。”碳化硅市場的增長前景反映了功率器件材料的變化趨勢。“主要受混合動力和純電動汽車需求的推動，碳化硅市場的復合年增長率將在未來五到七年內接近30%，”貝爾說。“從供電設施到為電池充電的DC電源，碳化硅器件廣泛用于電力傳輸過程中的電力轉換。碳化硅器件的另一個應用領域是用于電動汽車的伺服電機等控制模塊。當然，碳化硅也可以用在大功率電路中，如汽車電機的穩壓電路或其他元件中。”結語門拓的辛哈表示，半導體和汽車電子生態系統將迎來波瀾壯闊的十年，共同經歷汽車行業翻天覆地的變化，見證最后的贏家。“當我們審視歷史規律時，我們可以做出明確的判斷。在電動汽車市場(無論是有人駕駛還是無人駕駛)，那些被繞過的、創新的、標新立異的企業更有機會贏得未來。這樣的企業既沿襲了百年不變的老傳統，又有跨越電氣、電子、機械三個領域的高視角，可以有機融合跨領域技術，真正做到三個領域的技術融合。”辛哈說，“設計、制造和用戶體驗的差異決定了如何跨領域開發。電動汽車的發展應該用更開放的整合過程，而不是遵循過去的方法。”

標簽：特斯拉Model 3漢雪佛蘭

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