為何動(dòng)力電池設(shè)計(jì)困難重重？

在電動(dòng)汽車中，動(dòng)力電池組中密布各種傳感器，以監(jiān)測電池發(fā)熱狀況與老化效應(yīng)，以及動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷與自愈效應(yīng)。最重要的，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池必須在整車架構(gòu)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，因?yàn)殡姵氐倪\(yùn)行狀況將影響到整個(gè)系統(tǒng)，而且動(dòng)力電池模塊的設(shè)計(jì)、組裝、維護(hù)還面臨諸多困難。

以前汽車的電池總是當(dāng)做即插即用部件，但在電動(dòng)汽車上，電池的角色發(fā)生了改變。現(xiàn)如今，電池是電動(dòng)汽車差異化關(guān)鍵，也是電動(dòng)汽車中最重，同時(shí)也是最貴重的部件。

傳統(tǒng)汽車中的蓄電池，原本是一個(gè)相當(dāng)簡單的零部件。但在電動(dòng)汽車中，動(dòng)力電池組中密布各種傳感器，以監(jiān)測電池發(fā)熱狀況與老化效應(yīng)，以及動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷與自愈效應(yīng)。最重要的，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池必須在整車架構(gòu)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，因?yàn)殡姵氐倪\(yùn)行狀況將影響到整個(gè)系統(tǒng)，而且動(dòng)力電池模塊的設(shè)計(jì)、組裝、維護(hù)還面臨諸多困難。

＂每個(gè)人都清楚，電池是電動(dòng)汽車中最重要，也最有難度的部件。電池決定了一部電動(dòng)汽車的重要參數(shù)，比如續(xù)航里程、成本、安全，以及充電的便宜性等，＂ 新思科技(Synopsys)研發(fā)工程師布萊恩·凱利(Bryan Kelly)說，＂續(xù)航里程短、成本高、電池組易出毛病，以及充電設(shè)施分布不均衡，是當(dāng)前純電動(dòng)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(dòng)汽車其他零部件才能正常運(yùn)作。＂

這就是系統(tǒng)開發(fā)思維能發(fā)揮作用的地方。＂壓縮機(jī)、水泵、馬達(dá)、輔助電源模塊，以及車載充電模塊，電動(dòng)汽車需要多種功率電子器件，＂凱利說道，＂而且，汽車行駛時(shí)，上述模塊中的功率半導(dǎo)體開開關(guān)關(guān)，(是耗電的大頭)，續(xù)航問題總會(huì)存在。所以電動(dòng)汽車中總傾向于用大電池，高功率的大電池需要有相應(yīng)的功率器件來傳輸能量。這些大功率器件的開關(guān)頻率要更高，因?yàn)楣β势骷拈_關(guān)速度越快，傳輸電能時(shí)浪費(fèi)的越少，電動(dòng)汽車圍繞電池進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一切都是為了能效，提高能效是底線。＂

自動(dòng)駕駛的引入將會(huì)大幅增加開發(fā)難度。＂(引入自動(dòng)駕駛)必須要更早在全系統(tǒng)層面進(jìn)行開發(fā)，并研究電池在系統(tǒng)中的作用，＂新思科技應(yīng)用工程經(jīng)理吉姆·巴頓(Jim Patton)說道，＂這需要更多的仿真，因?yàn)樽詣?dòng)駕駛功能非常耗電。(實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能)開發(fā)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(huì)增加耗電。自動(dòng)駕駛功能是電動(dòng)汽車中另一大耗電模塊，開發(fā)人員需要認(rèn)真計(jì)算仔細(xì)仿真(以滿足系統(tǒng)續(xù)航要求)。＂

上述所有功能的實(shí)現(xiàn)都要保證安全。＂開發(fā)人員可以自動(dòng)插入開路或短路的電路，進(jìn)行大量故障仿真，以應(yīng)對(duì)各種意外狀況。比如，'如果交流發(fā)電機(jī)壞了會(huì)怎樣?我還能把這輛出故障的自動(dòng)駕駛汽車開到路邊嗎?' 開發(fā)人員要能在安全的前提下處理這種故障，并制定相應(yīng)的策略以應(yīng)對(duì)不同故障。開發(fā)人員要對(duì)最壞狀況有應(yīng)對(duì)方案，當(dāng)最壞狀況發(fā)生，能夠把電源從非性命攸關(guān)的模塊切斷，而用以維持剎車等關(guān)鍵部件。＂巴頓說道。

充電的考慮

充電速度也是電動(dòng)車差異化的重要體現(xiàn)。＂十年前，我剛開始在這個(gè)領(lǐng)域工作時(shí)，電池組的成本超過1000美元/千瓦時(shí)，＂西門子Mentor事業(yè)部(Mentor, a Siemens Business)新移動(dòng)解決方案機(jī)械分析部總監(jiān)譜尼特·辛哈(Puneet Sinha)說道，＂現(xiàn)在，特斯拉Model 3或者雪佛蘭的電池成本，已經(jīng)接近150美元/千瓦時(shí)，電池成本下降非常快。＂

伴隨電池價(jià)格的下降，橫在電動(dòng)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(chǔ)設(shè)計(jì)。

＂快充技術(shù)的發(fā)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(xué)材料，但從電池組層面來看，電極如何設(shè)計(jì)也會(huì)影響到電池組是否耐受快充。這些研究是非常重要的，因?yàn)槎虝r(shí)間把150到200千瓦時(shí)的能量充入電池很有挑戰(zhàn)，而且充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多熱量，所以行業(yè)內(nèi)企業(yè)在研究如何在充電時(shí)冷卻電池的技術(shù)。＂

對(duì)這些問題，德拉科汽車(Drako Motors)首席執(zhí)行官迪恩·德拉科(Dean Drako)頗有同感。德拉科汽車為自己生產(chǎn)的GTE電動(dòng)超跑設(shè)計(jì)開發(fā)了電池。

GTE的電池組支持兆瓦(MW)級(jí)功率輸出，GTE要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的性能，電路的承載能力將受到極致挑戰(zhàn)，只有匹配相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁而穩(wěn)定的功率輸出。＂GTE電池具備90千瓦時(shí)的容量，峰值電流可達(dá)2200安培，支持1800安培穩(wěn)定電流輸出，精心設(shè)計(jì)的電池組可以為GTE四個(gè)電動(dòng)機(jī)持續(xù)提供900千瓦的驅(qū)動(dòng)力。電池芯周圍密布冷卻管，大量冷卻管縱橫交錯(cuò)，構(gòu)成大規(guī)模并行冷卻系統(tǒng)，可以將每一個(gè)電池芯的熱量快速散發(fā)出去。＂德拉科汽車網(wǎng)站上這樣描述道。

迪恩表示，德拉科公司在電池組設(shè)計(jì)開發(fā)上非常努力，鋰離子電池設(shè)計(jì)本身也成為整車架構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分。＂電動(dòng)汽車電源設(shè)計(jì)通?？紤]續(xù)航或功能優(yōu)先，但我們選擇了一條與眾不同的路線，因?yàn)槲覀兠闇?zhǔn)的是賽車市場。我們?cè)斐龅钠囈茉谫惖郎馅A得比賽，所以對(duì)電源及設(shè)計(jì)要求都非常高，而且要配備強(qiáng)大的冷卻系統(tǒng)，以防止電池過熱。電池在充放電時(shí)，總有部分能量以熱的形式消耗掉，這就是電池的化學(xué)特性。＂

電池與電池組設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是如何適應(yīng)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(huán)境千差萬別，需要電池組能夠適應(yīng)寬溫度范圍與其他嚴(yán)苛的外部環(huán)境。電池組中的一個(gè)電池芯因過熱發(fā)生問題，很可能會(huì)引發(fā)整個(gè)電池組的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

＂這就是為什么人們喜歡用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電池芯，因?yàn)殡姵匦局圃焐桃呀?jīng)對(duì)電池芯做了非常嚴(yán)格的測試，采取多種措施以確保電池芯不會(huì)爆炸，＂迪恩說道，＂到電池組開發(fā)階段，需要的就是在電池組內(nèi)放置足夠數(shù)量的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，時(shí)刻監(jiān)控所有狀況。理論上，每一個(gè)電池都會(huì)配相應(yīng)的保險(xiǎn)絲，通過微控制器來控制電池組的狀態(tài)并決定是否熔斷保險(xiǎn)絲。如果出現(xiàn)過熱，要有相應(yīng)的液冷設(shè)備來確保電池組溫度能降下來。如果不考慮系統(tǒng)的可靠性、安全、健壯性、功率輸出，設(shè)計(jì)出的電池組將危如累卵。＂

Mentor的辛哈同意德拉科的觀點(diǎn)，電動(dòng)汽車充放電不是把車放到有空調(diào)的車庫去充電那么簡單。＂我們的很多客戶意識(shí)到了這些問題。在充放電系統(tǒng)中，電池芯當(dāng)然很重要，但它只是整個(gè)問題的一小部分。如果對(duì)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(tǒng)在充放電時(shí)的安全。在實(shí)現(xiàn)直流快充時(shí)，需要考慮的因素很多，開發(fā)人員要保證系統(tǒng)能既做到快速充電，又不浪費(fèi)能源。

另外，所有上述問題，如果發(fā)生，都將影響到整車架構(gòu)，辛哈說道。＂很少有人能在紙上列出，或者說出‘如果這個(gè)問題發(fā)生了，我將這樣應(yīng)對(duì);如果那個(gè)問題發(fā)生了，我將那樣應(yīng)對(duì)’。應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)百條問題的排列組合，是專用軟件發(fā)揮作用的時(shí)候，利用軟件，開發(fā)人員能在系統(tǒng)開始設(shè)計(jì)時(shí)就能厘清有哪些技術(shù)選項(xiàng)，怎么才能成本更優(yōu)化，以及‘如果我這樣做，將會(huì)得到這種結(jié)果;如果我那樣做，將會(huì)得到那種結(jié)果’。根據(jù)上述分析，開發(fā)團(tuán)隊(duì)很容易就做出正確決定。這是我們和很多設(shè)計(jì)軟件客戶交流時(shí)得到的反饋。所以，應(yīng)用模式?jīng)Q定了采用哪種整車架構(gòu)。＂

每個(gè)環(huán)節(jié)都很重要，它們還要上下銜接。＂內(nèi)燃機(jī)車與電動(dòng)車是完全不同的兩種開發(fā)思路，＂辛哈說道，＂內(nèi)燃機(jī)技術(shù)非常成熟，開發(fā)人員只需要選擇合適的現(xiàn)成技術(shù)，將其融入系統(tǒng)中即可，從車身、座位、到座艙技術(shù)，一切都按部就班、有章可循，但電動(dòng)汽車還不是這樣。＂

數(shù)據(jù)在哪里?

在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的某些領(lǐng)域，存在數(shù)據(jù)過多的現(xiàn)象，但在電池設(shè)計(jì)中，開發(fā)人員往往面臨數(shù)據(jù)偏少的問題。

＂我已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域有幾年，一門心思投入到抓取電池?cái)?shù)據(jù)工作中，也與客戶或制造商一起合作來收集數(shù)據(jù)，但電池?cái)?shù)據(jù)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(fā)人員可以用最小量的數(shù)據(jù)，來推測系統(tǒng)的性能。＂

利用工具生成的可用電池組模型，可以嵌入系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，通過設(shè)置充電初始狀態(tài)、電池組構(gòu)成參數(shù)等條件，來計(jì)算系統(tǒng)在典型歐洲工況等場景下的結(jié)果。開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(tài)，甚至能源效率與續(xù)航里程。

新思科技的巴頓表示，這些模型是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。＂很明顯，電池是電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)，可能是最有挑戰(zhàn)的零部件之一，也是開發(fā)人員承擔(dān)壓力之所在，因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)是區(qū)分不同電動(dòng)車的根本。車身重量與整車電池能量是一對(duì)難平衡的參數(shù)，增加電池?cái)?shù)量可以增加整車電池能量，但同時(shí)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(shí)考慮增加的車重。＂

電池的化學(xué)特性也應(yīng)考慮。＂電池芯材料有很多種組合，加工成電池芯時(shí)也有很多種布局方法，不過我們有時(shí)忽略了電池芯材料在化學(xué)特性上的難點(diǎn)。＂巴頓說道，＂功率電子就是這樣，連接電池和電動(dòng)機(jī)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(diào)系統(tǒng)是另一個(gè)需要優(yōu)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(diào)，電動(dòng)汽車在北方冬天時(shí)就很狼狽。打開暖空調(diào)時(shí)，電量下降速度簡直像決堤之水，所以我們的消費(fèi)者希望開發(fā)人員能盡快從系統(tǒng)層面進(jìn)行改善。＂

上述因素都加在一起，系統(tǒng)級(jí)面臨的挑戰(zhàn)就顯得奇大無比。

＂在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(fù)雜，不進(jìn)行系統(tǒng)仿真就成了一團(tuán)亂麻，不知道結(jié)果是什么。＂凱利說道，＂車上有太多移動(dòng)部件，很多行為只靠數(shù)學(xué)計(jì)算得不到正確結(jié)果，仿真不再是可有可無，開發(fā)人員只有利用仿真工具才能得到全部設(shè)計(jì)參數(shù)。而且，電池本身就是非線性器件，有很多非線性效應(yīng)，其參數(shù)與溫度和充電狀態(tài)都有關(guān)。所以，從系統(tǒng)層面來看，任何部件都有不可預(yù)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(gè)系統(tǒng)，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(zhí)行官斯蒂芬·科羅舍(Stephen Crosher)表示，電池的系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難重重，但這卻為更先進(jìn)技術(shù)引入打開了門路，比如片上監(jiān)控。利用片上監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)電池組熱監(jiān)護(hù)功能，能夠從電池中榨取更多的能量。＂不管是給手機(jī)增加15分鐘播放時(shí)間，還是讓用戶不再因里程焦慮而關(guān)閉電動(dòng)車中功能(比如空調(diào))，只要能延長電池壽命，就能改善用戶體驗(yàn)。＂

電池系統(tǒng)開發(fā)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(dǎo)體材料由于在高壓、高功率應(yīng)用中的優(yōu)異特性，越來越受到重視。＂芯師(Silvaco)公司市場高級(jí)總監(jiān)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(shì)。

＂主要受混動(dòng)與純電動(dòng)汽車需求驅(qū)動(dòng)，未來5到7年，碳化硅市場年復(fù)合增長率接近30%，＂貝爾說道，＂從供電設(shè)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(zhuǎn)換環(huán)節(jié)用途很廣。碳化硅器件另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是用在電動(dòng)汽車伺服電動(dòng)機(jī)等控制模塊中。當(dāng)然，碳化硅還可以用于汽車電動(dòng)機(jī)或其他部件的穩(wěn)壓電路等高功率電路中。＂

結(jié)論

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

＂我們審視歷史規(guī)律，就能做出清楚的判斷，在電動(dòng)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(chuàng)新、不墨守成規(guī)的企業(yè)有更大的機(jī)會(huì)贏得未來，這類企業(yè)不只遵循百年未變的老傳統(tǒng)，要有橫跨電氣、電子、機(jī)械三領(lǐng)域高度的視角，能將跨域技術(shù)有機(jī)融合，真正將三個(gè)領(lǐng)域技術(shù)融會(huì)貫通。＂辛哈說道，＂設(shè)計(jì)、制造與用戶體驗(yàn)的不同，決定了如何跨域開發(fā)，電動(dòng)汽車的開發(fā)要用一種更開放的融合流程，而不是沿用過去的方法。＂