從系統角度如何緩解動力電池續航焦慮？

文︱ED SPERLING

來源︱Semiconductor Engineering

編譯 |編輯部

未來電動汽車的發展将取決于這些汽車的使用地點和方式，以及電池材料、能量密度和複雜電池管理系統的重大進步。

長時間存儲的電池功耗需要平衡，并實時輸送到最需要的地方。這是一個巨大的挑戰，從電池陰極和陽極中各種元素的混合物到電池和電池子產品的布局、形狀和封裝，如今車輛中的任何部件都在重新建構。所有這些都必須以電子方式進行監控和管理，以確定單個電池老化過程中仍能正确充電。

用電池驅動的電機取代内燃機隻是複雜技術轉變的第一步。提高車輛一次充電的續航裡程，并減少為電池充電所需的時間，可謂面臨着非常棘手的挑戰。電池容量始終以每年約5%至6%的速度增長。為汽車提供更密集的存儲或更多的電池可以讓行駛時間變得更長，增速變得更快，但制造這些電池所需材料的供應受到地緣政治和環境問題限制，是以很多企業正在考慮更多的替代方案。

問題是如何使電池保持更多的電量的同時，還能讓快速充電更具彈性。“目前市場上，在陽極内部混合矽（大約5%到10%）是一種解決方案，他們也正在尋找混合更多矽的方法，”英飛淩進階工程師Felix Weidner表示。“在充電過程中，把這些锂離子泵入石墨烯，但是需要相當多的石墨烯來制造一個锂離子。此方案的思路是通過矽獲得更多的能量密度，因為矽可以捕獲更多的锂離子。但它也有缺點，即矽并不是很穩定，而且容易擴散。否則你會使用100%矽陽極。”

如今，鎳和钴元素也被用來提高能量密度，降低火災風險。但是，戰争和有限來源造成的短缺恐慌拉升了電池價格，并進一步拉動了電動汽車價格的提升，促使全球市場積極尋找更豐富、更易于使用的新材料。

“成本是目前限制人們購買電動汽車的原因，”在Argonne儲能科學合作中心主任兼儲能研究聯合中心副主任Venkat Srinivasan看來。“我們估計，今年的電池成本約為每千瓦時130美元，而典型的電動汽車需要90千瓦時。我們認為目标是降低至每千瓦時65美元左右。但看起來，從今年起電池平均成本的上升僅僅是剛開始。盡管不是所有汽車公司，因為有些公司已經因為钴和鎳短缺簽訂了長期合同。”

圖1：全球锂離子電動汽車電池需求預測（圖源：Argonne National Laboratory）

通常，僅增加更多的電池是為豪華車市場保留的昂貴選擇，這是唯一一個行駛裡程為500英裡的汽車市場。由于為空電池子產品充電比為幾乎滿電池子產品充電更快，是以更多或更大的電池在充電時間方面也更有優勢。電池子產品越大，電池蓄電量也就越多，獲得另外200或300英裡的續航裡程的速度就越快，因為充電中最耗時的部分是電池快充滿的時候。

但續航裡程也可能因其他因素而異。例如，風阻已成為車輪設計的一個關鍵問題。環境溫度甚至山區地形都可能會影響續航裡程。

《消費者報告》2019年的現場測試顯示，在寒冷的氣候下，電動汽車的續航裡程減少了近一半。次年，Car and Driver報告說特斯拉Model 3中提高了熱量，續航裡程下降了60英裡。電機不像内燃機那樣産生熱量，是以基本上就像将小型烤箱連接配接到電池上一樣。在炎熱的天氣裡，空調也有類似的影響。

電池充電的頻率越高，這些電池的使用壽命也就越短。這通常表現為最大蓄電範圍随時間推移而減小，類似于手機中電池随時間退化時發生的情況。但是，更換車輛中的電池比購買新手機要昂貴得多。因為這需要保持電池子產品之間的平衡。反過來，這迫使汽車制造商更多地像晶片制造商一樣思考，其中功率預算是固定的，新的電子産品需要适應該預算。

“我們的目标是最大限度地減少充電周期的數量，因為更換電池的成本讓消費者敬而遠之，”西門子數字工業軟體公司自主和ADAS進階總監David Fritz表示。“系統消耗的功率越少，驅動電機的效率就越高。我們可以使用複合材料來減輕電池重量，但是效果有限。下一個重大挑戰是了解所有電子産品的作用以及其消耗量，可以通過關閉這些裝置并将其置于低功耗模式來控制。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看，電池管理是汽車制造商的下一個重大差異化因素。雖然OEM将繼續以華麗的功能脫穎而出，但在電動汽車的電機和變速器方面，獨特性和定制性有限。

電池管理比聽起來要難得多。目前電池管理系統主要包括加熱、冷卻和确定最佳電荷百分比，以延長電池的使用壽命。但這僅僅是個開始。在未來，電池架構預計将變得更加複雜，可能涉及用于不同任務和新材料的專用電池。預計也會有針對不良單元的解決方法，幾乎就像ECC記憶體與DRAM一樣，在更長的時間内保持最大範圍。

為此已經存在幾個名額。一個是充電狀态（SOC），即電池在任何給定時刻有多少能量。第二個是健康狀态（SOH），即可用的電池容量百分比。

“健康狀況将随着時間的推移而改變，”英飛淩系統應用工程師Scott Winder指出。“有幾個因素在起作用。首先，當電荷增加到接近其最大容量時，電池内會發生化學變化。如果充滿電，反應可能不會持續那麼長時間。這是手機制造商一直在解決的問題。在短途模式中，通常可以将電池充電250英裡，但對于長途旅行，則可以将其充電至300英裡。由于電阻，還存在熱問題。當電池電量為空時，為電池充電更容易，但當電池幾乎充滿時，則更難。是以，可以更快地啟動，然後根據電池的溫度減少電荷。”

由于電池可能會過熱并引起火災，是以電池也需要考慮安全層面的問題。“電池單元健康是最重要的名額之一，因為當你有一輛車起火時，問題源于單個單元，除非發生事故損壞多個單元，”Winder認為。“也許它沒有正确充電或發生了什麼故障，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散，但是在能量過剩時，最終它會擴散到車輛的其餘部分。”

聚焦在電動汽車領域的公司尤為關注電池内部的熱問題，這是引入新材料的挑戰之一。随着時間的推移，一切都需要在極端條件下進行測試，而在汽車應用中，測試時間可能長達五年。

“監控電池，并判斷單個電池的狀态，”Fraunhofer IIS自适應系統部門工程設計方法負責人Roland Jancke表示。“會有備用單元，但這些系統需要決定何時切換以及健康狀況如何。是以需要一個管理系統和某種電池管理晶片。搭建該系統需要完整的仿真，可以在其中将故障注入整個電池組，看看如果其中一個電池發生故障會發生什麼，并檢視電池管理系統的作用。它是否正确監控所有内容？診斷程式是否正常工作？它是否切換到另一個單元？”

電池架構

電池的實體重量很重，需要以一種改善車輛操控性的方式将它們安裝到車輛中。它們還需要以一種為關鍵功能提供足夠能量的方式進行布置，同時将損失降至最低，還要避免電池過熱。

“現在，我們将所有電池都裝在車輛底部的一個電池組中，各種OEM正在使用大量的導電冷卻，隻是将熱量通過金屬帶到底盤，”英飛淩的Winder稱。“還有液體冷卻，使用導電流體。而且，如果将電池分散開來，以便在不同點将部件內建到機箱中，那麼在一個區域的集中度就會低得多。另一方面，當室外溫度較低時，需要加熱電池，以便它們能夠以最高效率運作。通過配置設定電池，你需要在各個地方加熱它們。”

但并非所有電池都是一樣的，也不是所有的電池都适合每一項任務。車輛中的某些系統始終處于打開狀态。其他隻能偶爾使用。打開車輛和檢視倒車攝像頭的響應時間幾乎要求瞬間響應，而啟動資訊娛樂系統的延遲一兩秒通常會被忽視。這是否演變成分布式電池架構，使用不同類型的電池，或更好地控制現有電池，還有待觀察。但在這一點上，所有選擇都在探索中，包括可能使用氫燃料電池作為備份。

“電池非常适合乘用車等輕型車輛，”Argonne的Srinivasan認為。“在重型卡車、輪船和飛機上，電池能量密度隻有這麼多。人們開始将目光轉向氫燃料，它是碳中性的，或者像氨這樣的無碳燃料。當我們開始在不同行業的背景下看待去碳化時，不僅僅是乘用車，我們将開始看到其他技術逐漸發揮作用。在乘用車、手機、筆記本電腦、手表等一系列應用領域，都可能會有某種電池。”

圖2：電池用關鍵礦物的全球儲量（圖源：Argonne National Laboratory /USGS/美國能源部）

低功耗設計

當然，功率等式的另一方面是提高車輛内部晶片和系統的效率。

“人們将更加關注更智能、更高效的電子産品，”Arteris IP首席營銷官Michal Siwinski表示。“我們已經看到了其中的一些。五年前，汽車晶片曾經以某種方式完成。現在，這都是定制的流程。其中一些是監管，另一些是電動汽車将繼續存在的現實。但是，即使電池變得越來越先進，你仍然不會有數百個，而是數千個不同的電子子系統和晶片，它們都将被連接配接起來。這絕對會消耗電力供應。”

與所有複雜的電子産品一樣，最大的挑戰之一是弄清楚如何劃分和優先處理電源。

“這些變化相當于從多個分立IC到片上系統的過渡，”西門子的Fritz表示。我們在SoC中關閉電源的方式是時鐘門控，并在需要時打開和關閉。在汽車中，這可能很重要，但從汽車公司的角度來看，這幾乎是違反規則的。有太多的ECU正在執行單獨的任務，以至于它們不可能打開和關閉。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。其中一個是尋找一個L4自動解決方案，大約需要4千瓦。我們能夠對相同的解決方案進行模組化，并且基于最先進的技術，而不是一些現成耗電的x86系統，我們能夠将其降低到40瓦。一旦添加所有外圍裝置，整個系統為50瓦，而不是4千瓦。這對續航裡程和可持續性有影響，一次充滿電可減排約7磅的二氧化碳。”

總結

電池化學、電池管理和電池設計正變得越來越複雜。發展趨勢仍然是可以快速充電，持續數十萬英裡的道路，既安全又相對便宜的電池。與大多數複雜的電子産品一樣，一些複雜的架構需要權衡，以及對車輛内電力輸送和存儲系統不斷的反思。是以，雖然諸如聲音阻尼和光滑顯示器之類的功能被用來吸引買家，但在大多數人從未見過這些技術，因為有很多創新和實驗還正在進行中。

“汽車制造商一直試圖将發動機啟動功率與資訊娛樂和電子裝置分開，并将其放在單獨的電動公共汽車上，”Ansys半導體業務部門産品營銷總監Marc Swinnen稱。“對于電動汽車來說，情況就不同了。這些大電池約60到70千瓦時。對于電動汽車來說，一切都與續航裡程有關，其中一個大問題是熱量。這也許可以解釋為什麼密歇根州和達科他州的人們不太熱衷于電動汽車。”

就整個電動汽車生态系統而言，這仍然是一個巨大的挑戰。