从系统角度如何缓解动力电池续航焦虑？

文︱ED SPERLING

来源︱Semiconductor Engineering

编译 |编辑部

未来电动汽车的发展将取决于这些汽车的使用地点和方式，以及电池材料、能量密度和复杂电池管理系统的重大进步。

长时间存储的电池功耗需要平衡，并实时输送到最需要的地方。这是一个巨大的挑战，从电池阴极和阳极中各种元素的混合物到电池和电池模块的布局、形状和封装，如今车辆中的任何部件都在重新构建。所有这些都必须以电子方式进行监控和管理，以确保单个电池老化过程中仍能正确充电。

用电池驱动的电机取代内燃机只是复杂技术转变的第一步。提高车辆一次充电的续航里程，并减少为电池充电所需的时间，可谓面临着非常棘手的挑战。电池容量始终以每年约5%至6%的速度增长。为汽车提供更密集的存储或更多的电池可以让行驶时间变得更长，增速变得更快，但制造这些电池所需材料的供应受到地缘政治和环境问题限制，因此很多企业正在考虑更多的替代方案。

问题是如何使电池保持更多的电量的同时，还能让快速充电更具弹性。“当前市场上，在阳极内部混合硅（大约5%到10%）是一种解决方案，他们也正在寻找混合更多硅的方法，”英飞凌高级工程师Felix Weidner表示。“在充电过程中，把这些锂离子泵入石墨烯，但是需要相当多的石墨烯来制造一个锂离子。此方案的思路是通过硅获得更多的能量密度，因为硅可以捕获更多的锂离子。但它也有缺点，即硅并不是很稳定，而且容易扩散。否则你会使用100%硅阳极。”

如今，镍和钴元素也被用来提高能量密度，降低火灾风险。但是，战争和有限来源造成的短缺恐慌拉升了电池价格，并进一步拉动了电动汽车价格的提升，促使全球市场积极寻找更丰富、更易于使用的新材料。

“成本是当前限制人们购买电动汽车的原因，”在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看来。“我们估计，今年的电池成本约为每千瓦时130美元，而典型的电动汽车需要90千瓦时。我们认为目标是降低至每千瓦时65美元左右。但看起来，从今年起电池平均成本的上升仅仅是刚开始。尽管不是所有汽车公司，因为有些公司已经因为钴和镍短缺签订了长期合同。”

图1：全球锂离子电动汽车电池需求预测（图源：Argonne National Laboratory）

通常，仅增加更多的电池是为豪华车市场保留的昂贵选择，这是唯一一个行驶里程为500英里的汽车市场。由于为空电池模块充电比为几乎满电池模块充电更快，因此更多或更大的电池在充电时间方面也更有优势。电池模块越大，电池蓄电量也就越多，获得另外200或300英里的续航里程的速度就越快，因为充电中最耗时的部分是电池快充满的时候。

但续航里程也可能因其他因素而异。例如，风阻已成为车轮设计的一个关键问题。环境温度甚至山区地形都可能会影响续航里程。

《消费者报告》2019年的现场测试显示，在寒冷的气候下，电动汽车的续航里程减少了近一半。次年，Car and Driver报告说特斯拉Model 3中提高了热量，续航里程下降了60英里。电机不像内燃机那样产生热量，所以基本上就像将小型烤箱连接到电池上一样。在炎热的天气里，空调也有类似的影响。

电池充电的频率越高，这些电池的使用寿命也就越短。这通常表现为最大蓄电范围随时间推移而减小，类似于手机中电池随时间退化时发生的情况。但是，更换车辆中的电池比购买新手机要昂贵得多。因为这需要保持电池模块之间的平衡。反过来，这迫使汽车制造商更多地像芯片制造商一样思考，其中功率预算是固定的，新的电子产品需要适应该预算。

“我们的目标是最大限度地减少充电周期的数量，因为更换电池的成本让消费者敬而远之，”西门子数字工业软件公司自主和ADAS高级总监David Fritz表示。“系统消耗的功率越少，驱动电机的效率就越高。我们可以使用复合材料来减轻电池重量，但是效果有限。下一个重大挑战是了解所有电子产品的作用以及其消耗量，可以通过关闭这些设备并将其置于低功耗模式来控制。这必须在我们从L3跃升到L4和L5之前布局。

电池管理

从纯粹的功能角度来看，电池管理是汽车制造商的下一个重大差异化因素。虽然OEM将继续以华丽的功能脱颖而出，但在电动汽车的电机和变速器方面，独特性和定制性有限。

电池管理比听起来要难得多。当前电池管理系统主要包括加热、冷却和确定最佳电荷百分比，以延长电池的使用寿命。但这仅仅是个开始。在未来，电池架构预计将变得更加复杂，可能涉及用于不同任务和新材料的专用电池。预计也会有针对不良单元的解决方法，几乎就像ECC内存与DRAM一样，在更长的时间内保持最大范围。

为此已经存在几个指标。一个是充电状态（SOC），即电池在任何给定时刻有多少能量。第二个是健康状态（SOH），即可用的电池容量百分比。

“健康状况将随着时间的推移而改变，”英飞凌系统应用工程师Scott Winder指出。“有几个因素在起作用。首先，当电荷增加到接近其最大容量时，电池内会发生化学变化。如果充满电，反应可能不会持续那么长时间。这是手机制造商一直在解决的问题。在短途模式中，通常可以将电池充电250英里，但对于长途旅行，则可以将其充电至300英里。由于电阻，还存在热问题。当电池电量为空时，为电池充电更容易，但当电池几乎充满时，则更难。因此，可以更快地启动，然后根据电池的温度减少电荷。”

由于电池可能会过热并引起火灾，因此电池也需要考虑安全层面的问题。“电池单元健康是最重要的指标之一，因为当你有一辆车起火时，问题源于单个单元，除非发生事故损坏多个单元，”Winder认为。“也许它没有正确充电或发生了什么故障，以至于加热到热失控的地步。这些单元通常密封在金属盒中，这些金属盒是为了试图控制扩散，但是在能量过剩时，最终它会扩散到车辆的其余部分。”

聚焦在电动汽车领域的公司尤为关注电池内部的热问题，这是引入新材料的挑战之一。随着时间的推移，一切都需要在极端条件下进行测试，而在汽车应用中，测试时间可能长达五年。

“监控电池，并判断单个电池的状态，”Fraunhofer IIS自适应系统部门工程设计方法负责人Roland Jancke表示。“会有备用单元，但这些系统需要决定何时切换以及健康状况如何。所以需要一个管理系统和某种电池管理芯片。搭建该系统需要完整的仿真，可以在其中将故障注入整个电池组，看看如果其中一个电池发生故障会发生什么，并查看电池管理系统的作用。它是否正确监控所有内容？诊断程序是否正常工作？它是否切换到另一个单元？”

电池架构

电池的物理重量很重，需要以一种改善车辆操控性的方式将它们安装到车辆中。它们还需要以一种为关键功能提供足够能量的方式进行布置，同时将损失降至最低，还要避免电池过热。

“现在，我们将所有电池都装在车辆底部的一个电池组中，各种OEM正在使用大量的导电冷却，只是将热量通过金属带到底盘，”英飞凌的Winder称。“还有液体冷却，使用导电流体。而且，如果将电池分散开来，以便在不同点将部件集成到机箱中，那么在一个区域的集中度就会低得多。另一方面，当室外温度较低时，需要加热电池，以便它们能够以最高效率运行。通过分配电池，你需要在各个地方加热它们。”

但并非所有电池都是一样的，也不是所有的电池都适合每一项任务。车辆中的某些系统始终处于打开状态。其他只能偶尔使用。打开车辆和查看倒车摄像头的响应时间几乎要求瞬间响应，而启动信息娱乐系统的延迟一两秒通常会被忽视。这是否演变成分布式电池架构，使用不同类型的电池，或更好地控制现有电池，还有待观察。但在这一点上，所有选择都在探索中，包括可能使用氢燃料电池作为备份。

“电池非常适合乘用车等轻型车辆，”Argonne的Srinivasan认为。“在重型卡车、轮船和飞机上，电池能量密度只有这么多。人们开始将目光转向氢燃料，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去碳化时，不仅仅是乘用车，我们将开始看到其他技术逐渐发挥作用。在乘用车、手机、笔记本电脑、手表等一系列应用领域，都可能会有某种电池。”

图2：电池用关键矿物的全球储量（图源：Argonne National Laboratory /USGS/美国能源部）

低功耗设计

当然，功率等式的另一方面是提高车辆内部芯片和系统的效率。

“人们将更加关注更智能、更高效的电子产品，”Arteris IP首席营销官Michal Siwinski表示。“我们已经看到了其中的一些。五年前，汽车芯片曾经以某种方式完成。现在，这都是定制的流程。其中一些是监管，另一些是电动汽车将继续存在的现实。但是，即使电池变得越来越先进，你仍然不会有数百个，而是数千个不同的电子子系统和芯片，它们都将被连接起来。这绝对会消耗电力供应。”

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优先处理电源。

“这些变化相当于从多个分立IC到片上系统的过渡，”西门子的Fritz表示。我们在SoC中关闭电源的方式是时钟门控，并在需要时打开和关闭。在汽车中，这可能很重要，但从汽车公司的角度来看，这几乎是违反规则的。有太多的ECU正在执行单独的任务，以至于它们不可能打开和关闭。我们正在与七家不同的OEM合作，他们都采取了非常不同的方法。其中一个是寻找一个L4自动解决方案，大约需要4千瓦。我们能够对相同的解决方案进行建模，并且基于最先进的技术，而不是一些现成耗电的x86系统，我们能够将其降低到40瓦。一旦添加所有外围设备，整个系统为50瓦，而不是4千瓦。这对续航里程和可持续性有影响，一次充满电可减排约7磅的二氧化碳。”

总结

电池化学、电池管理和电池设计正变得越来越复杂。发展趋势仍然是可以快速充电，持续数十万英里的道路，既安全又相对便宜的电池。与大多数复杂的电子产品一样，一些复杂的架构需要权衡，以及对车辆内电力输送和存储系统不断的反思。因此，虽然诸如声音阻尼和光滑显示器之类的功能被用来吸引买家，但在大多数人从未见过这些技术，因为有很多创新和实验还正在进行中。

“汽车制造商一直试图将发动机启动功率与信息娱乐和电子设备分开，并将其放在单独的电动公交车上，”Ansys半导体业务部门产品营销总监Marc Swinnen称。“对于电动汽车来说，情况就不同了。这些大电池约60到70千瓦时。对于电动汽车来说，一切都与续航里程有关，其中一个大问题是热量。这也许可以解释为什么密歇根州和达科他州的人们不太热衷于电动汽车。”

就整个电动汽车生态系统而言，这仍然是一个巨大的挑战。