未来电动车的成败将取决于使用地点和方式,以及电池材料、能量密度和一些非常复杂的电池管理系统(BMS)方面的重大进展。

 

电池能量需要平衡,存储时间要长,并实时输送到最需要的地方。这是一个巨大的挑战,如今车辆中几乎所有东西都在重新架构,从电池正负极各种元素的混合物到电芯和电池组的布局、形状和封装。而所有这些都必须通过电子方式进行监控和管理,以确保各个电池的老化程度一致,充电正常。

 

电机取代内燃机只是复杂技术转变的第一步。事实证明,增加车辆续航里程,并减少充电时间,是一个更为棘手的挑战。电池容量一直在以每年约5%-6%的速度增长。能量密度更大和/或更多的电池将使车辆行驶更久,加速更快,但电池原材料受到地缘政治和环境问题的限制,因此人们正在考虑许多替代方案。

 

问题是如何使电池保持更多的电量,同时也使其更适应快充。英飞凌的高级工程师Felix Weidner说:“现在,有人在负极混合了一点硅(约5%-10%),且正在寻找方法来混合更多的硅。在充电过程中,你将这些锂离子泵入石墨烯,但一个锂离子需要相当多的石墨烯。我们的想法是,采用硅会得到更大的能量密度,因为硅可以捕捉更多的锂离子。但它也有缺点。它不太稳定,而且会膨胀得很厉害,否则就使用100%的硅了。”

 

另外两种元素,镍和钴,目前被用来增加密度和提高安全性。但战争和有限的资源造成的短缺已经抬高了电池和电动车的价格,并促使全球寻找更丰富和更易使用的新材料。

 

Argonne储能科学合作中心主任兼储能研究联合中心副主任Venkat Srinivasan说:“成本是目前限制人们购买电动车的原因。我们估计,今年电池的成本约为$130/kWh,而一辆电动车一般需要90kWh。我们认为目标需要达到$65/kWh左右。但看起来2022年将是电池平均成本上升的第一年(尽管不是对每个公司都是如此,因为有些公司有长期合同),因为钴和镍的短缺。”

 

图1:全球电动车锂电池需求预测(资料来源:Argonne National Laboratory)

 

仅仅增加电池数量是一种昂贵的选择,通常是豪华车会选择的,在这个细分市场中某些车型续航能力会达到500英里以上。更多或更大的电池在充电时间上也有优势,因为给快没电的电池充电要比给接近满电的电池充电要快。电池越大,数量越多,充满200或300英里电量的速度就越快,因为充电最耗时的部分是在几乎充满的状态时。

 

但是,由于其他因素,续航能力也会有所不同。例如,风阻已经成为车轮设计的关键。环境温度也会影响续航能力,山地等地形也会影响。

 

Consumer Reports 2019年的一项实地测试显示,在寒冷的气候下,电动车的续航能力几乎会减少一半。第二年,Car and Driver杂志测试特斯拉Model 3时调高了空调和座椅加热的温度,结果报道说续航能力下降了60英里。电机不会像内燃机那样产生热量,所以它基本上就像在电池上安装了一个小烤箱。在炎热的天气里,空调也有类似的影响。

 

电池充电越频繁,寿命也会越来越短。这通常表现为随着时间的推移,最大续航能力的减少,类似于手机电池老化的情况。但如果更换车辆的电池,为了保持整个电池模组和模组之间的平衡,需要一次性更换全部电池,这可要比购买一部新手机贵得多。这反过来又迫使车厂更多地像芯片公司一样思考问题,电池预算是固定的,新的电子器件需要符合该预算。

 

西门子数字工业软件公司自动驾驶和ADAS高级总监David Fritz说:“我们的目标是尽量减少充电次数,因为更换电池的成本把消费者吓跑了。我们能让系统消耗的电量越少,驱动电机的效率就越高。我们可以使用复合材料来减轻重量,但我们能介入的部分有限。下一个巨大的挑战是了解所有电子器件的用途,以及它们的能耗是多少。我们可以通过关闭这些设备并将其置于低功率模式来进行控制。我们必须要在从L3过渡到L4、L5之前完成这项任务。”

 

电池管理

 

从纯粹的功能角度来看,电池管理是车厂下一个重要的差异化因素。虽然车厂将继续集中在以华丽的功能进行差异化,但涉及到电机和变速箱时,其独特性和定制性是有限的。

 

电池管理比想象的要难得多。目前,它涉及加热、冷却和确定最佳的充电百分比,以延长电池的寿命。但这仅仅是个开始。未来,电池架构预计将变得更加复杂,可能涉及不同任务的专用电池和新材料。预计也会有解决坏电池的办法,几乎就像ECC内存对DRAM的作用一样,在更长的时间内保持最大的续航能力。

 

这方面已经有了一些衡量标准。一个是SoC(State of Charge),是指在任何特定时刻电池中的能量。第二个是SoH(State of Health),它指电池容量的可用百分比。

 

英飞凌的系统应用工程师Scott Winder说:“SoH会随着时间的推移而改变。这有几个因素在起作用。一个是当在电池接近其最大容量时增加充电,在电池内就会发生化学变化。如果总是充满,就会影响电池寿命。这也是手机制造商一直在解决的问题。假如通常你给电池充到250英里续航,但在长途旅行中,你可能会充到300英里。还有由于电阻而产生的热量问题。当电量是空的状态时,给它充电比较容易,但几乎是满电时,就比较困难了。所以你充电时的开始阶段会充的比较快,但随着温度的升高充电速度也会降下来。”

 

因为电池可能过热并引起火灾,所以电池也有安全方面的问题。Winder说:“SoH是最重要的指标之一,因为当车辆起火时,是从一个电芯开始的(除非是事故损坏了多个电池)。也许是没有正确地充电,或者发生了什么,因此发热到热失控的程度。这些电池通常组装在金属盒中,可以起到散热功能,但有时热量太高导致扩散到其他部分。”

 

电动车公司特别关注电池内部的热问题,这是引进新材料的挑战之一。一切都需要在极端条件下进行长期测试,在汽车应用的情况下,这可能将长达五年之久。

 

Fraunhofer IIS自适应系统工程部的设计负责人Roland Jancke说:“你需要监控电池,你需要确定每个电池的状态。虽然会有备用电池,但这些系统需要决定何时切换以及健康状况如何。所以你需要一个管理系统和某种电池管理芯片。为了达到这个目标,你需要全面的模拟,你可以向整个电池组注入故障,看看如果其中一个电池出现故障会发生什么,并看看BMS会做什么。它是否会正确地监控一切?诊断程序是否正常?它是否切换到另一个电池?”

 

电池结构电池在物理上是很重的,需要以一种改善车辆操控性的方式装入车辆。它们还需要以一种方式排列,以最小的损耗为关键功能提供足够的能量,同时还需要避免电池过热。

 

英飞凌的Winder说:“现在,我们把所有的电池以电池包的形式平整地安装在车辆底部,各车厂正在使用大量的传导性冷却技术,将热量通过金属传导到底盘。还有人在使用液体冷却,使用导电液体。如果你把电池分散开来,集成到底盘的不同位置上,那么在一个区域的集中度就会大大降低。另一面是,当外界温度很低时,就需要加热电池,以便它们能够以最高效率运行。如果电池是分散的,就需要在不同的点加热它们。”

 

但并不是所有的电池都是一样的,也不是所有的电池都适合所有的任务。车辆中的一些系统总是处于开启状态,其它系统可能只是偶尔使用。而且,启动车辆和查看备用摄像头的反应时间需要是即时的,而启动信息娱乐系统的一两秒延迟一般不会被注意到。这是否会演变成分布式电池架构,使用不同类型的电池,或更好地控制现有的电池,还有待观察。但在这一点上,所有的选择都在探索之中,包括可能使用氢燃料电池作为备用。

 

Argonne的Srinivasan说:“电池非常适合乘用车等轻型车辆。但是,电池能为重卡、船舶和飞机等提供的能量密度是有限的。人们开始谈论像氢这样的燃料,它是碳中性的,或者像氨这样的无碳燃料。当我们开始在不同行业的背景下看待无碳化,而不仅仅是乘用车,将会看到其他技术发挥的作用。但对于乘用车、手机、笔记本电脑、手表等,可能会有某种专用电池。”

 

图2:电池原材料主要矿物质的全球储备(来源:Argonne国家实验室/美国地质调查局/美国能源部,基于LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正极)

 

低功耗设计

 

当然,能量方程式的另一面是提高车辆芯片和系统的效率。

 

Arteris IP的CMO Michal Siwinski说:“人们将更加关注更智能、更高效的电子产品。我们已经看到了一些迹象。五年前,汽车芯片曾以某种方式完成。现在,这都是定制的流程。其中有些是法规,有些是电动车存在的现实。但是,即使电池越来越先进,仍然会有数千个不同的电子子系统和芯片,而且它们都将被连接。这绝对会对电量造成消耗。”

 

与所有复杂的电子产品一样,最大的挑战之一是弄清楚如何划分和并确定能量使用的优先级。

 

西门子的Fritz说:“这些变化堪比从多个分立芯片向SoC的过渡。我们在系统芯片中降低功耗的方法是使用时钟门控并在需要时进行开关。对于车辆来说,这可能很重要,但从车厂的角度来看,这几乎是一种亵渎。有这么多的ECU在做独立的和单独的任务,他们不可能将其打开和关闭。我们正在与七个不同的车厂合作,每家都在采取非常不同的方法。其中一家正在研究一个L4自动驾驶解决方案,它需要大约4kW的功率。我们能够对同样的解决方案进行建模,基于最先进的技术,而不是一些现成的、耗电的x86东西,我们能够把它降低到40W。一旦你加上所有的外围设备,整个系统是50W,而不是4kW。这对续航能力和环保性都有影响,因为一次充满电后的使用可以节省大约7磅CO2。”

 

电池化学、电池管理和电池设计正变得越来越复杂。这个领域的圣杯仍然是一个能够快速充电、续航里程可达到数十万英里的电池,且既安全又相对便宜。与大多数复杂的电子产品一样,这需要权衡,需要一些复杂的架构,以及不断重新思考车辆的电力传输和存储系统。因此,尽管诸如降噪和炫酷的显示器等功能被用来吸引买家,但在大多数人从未关注过的地方,还有很多创新和实验正在进行。

 

Ansys的芯片业务部产品营销总监Marc Swinnen表示:“以前车厂将发动机的启动与信息娱乐和电子装置的能量源分开,并将其置于单独的电气总线上。电动车情况就不同了。这些都是60kWh-70kWh的大电池。对于电动车来说,关键是续航能力,而其中一个大问题是加热。这或许可以解释为什么密歇根州和达科他州等北部地区对电动车不太感兴趣。”

 

而就整个电动车生态系统而言,这仍然是一个大挑战。

 

[参考文章]

Battery Management Getting Competitive For EVs — Ed Sperling