動力鋰離子電池設計難在哪？

往日汽車的電池總是當做即插即用部件，但在電動車上，電池的角色發生了改變。現如今，電池是電動車差異化關鍵，也是電動車中最重，同時也是最貴重的部件。

傳統汽車中的蓄電池，原本是一個相當簡單的零部件。但在電動車中，動力鋰離子電池包中密布各種傳感器，以監測電池發熱狀況與老化效應，以及動態熱負荷與自愈效應。最緊要的，電動車的動力鋰離子電池非得在整車架構層面進行設計開發，因為電池的運行狀況將影響到整個系統，而且動力鋰離子電池模塊的設計、組裝、維護還面對諸多困難。

“每個人都清楚，電池是電動車中最緊要，也最有難度的部件。電池決定了一部電動車的緊要參數，比如續航里程、成本、安全，以及充電的便宜性等，”新思科技（Synopsys）研發工程師布萊恩·凱利（BryanKelly）說，“續航里程短、成本高、電池包易出毛病，以及充電設施分布不均衡，是當前純電動車面對的緊要困難。電池供應了能量，但它要被良好地管理與控制，這樣電動車其他零部件才能正常運作。”

這就是系統開發思維能發揮用途的地方了。“壓縮機、水泵、馬達、輔助電源模塊，以及車載充電模塊，電動車要多種功率電子器件，”凱利說道，“而且，汽車行駛時，上述模塊中的功率半導體開開關關，（是耗電的大頭），續航問題總會存在。所以電動車中總傾向于用大電池，高功率的大電池要有相應的功率器件來傳輸能量。這些大功率器件的開關頻率要更高，因為功率器件的開關速度越快，傳輸電能時浪費的越少，電動車圍繞電池進行系統設計的一切都是為了能效，提高能效是底線。”

自動駕駛的引入將會大幅新增開發難度。“（引入自動駕駛）非得要更早在全系統層面進行開發，并研究電池在系統中的用途，”新思科技使用工程經理吉姆·巴頓（Jimpatton）說道，“這要更多的仿真，因為自動駕駛功能非常耗電。（實現自動駕駛功能）開發人員要新增一堆攝像頭，若干影像解決模塊，以及很多別的元器件，這些元器件都會新增耗電。自動駕駛功能是電動車中另一大耗電模塊，開發人員要認真計算仔細仿真（以滿足系統續航要求）。”

上述所有功能的實現都要保證安全。“開發人員可以自動插入開路或短路的電路，進行大量故障仿真，以應對各種意外狀況。比如，'倘若交流發電機壞了會如何？我還能把這輛出故障的自動駕駛汽車開到路邊嗎？'開發人員要能在安全的前提下解決這種故障，并制定相應的策略以應對不同故障。開發人員要對最壞狀況有應對辦法，當最壞狀況發生，能夠把電源從非性命攸關的模塊切斷，而用以維持剎車等關鍵部件。”巴頓說道。

充電的考慮

充電速度也是電動車差異化的緊要體現。“十年前，我剛開始在這個范疇工作時，電池包的成本超過1000美元/千瓦時，”西門子Mentor事業部（Mentor,aSiemensBusiness）新移動處理辦法機械分解部總監譜尼特·辛哈（puneetSinha）說道，“今朝，特斯拉Model3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。”

伴隨電池價格的下降，橫在電動車面前的緊要障礙變成了要怎么樣提高充電速度。充電速度要求改變了電池的基礎設計。

“快充技術的發展，要求電池芯非得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，緊要取決于電化學材料，但從電池包層面來看，電極要怎么樣設計也會影響到電池包是不是耐受快充。這些研究是非常緊要的，因為短時間把150到200千瓦時的能量充入電池很有挑戰，而且充電時會出現很多熱量，所以行業內公司在研究要怎么樣在充電時冷卻電池的技術。”

對這些問題，德拉科汽車（DrakoMotors）首席執行官迪恩·德拉科（DeanDrako）頗有同感。德拉科汽車為自己加工的GTE電動超跑設計開發了電池。

GTE的電池包支持兆瓦（MW）級功率輸出，GTE要實現創紀錄的性能，電路的承載能力將受到極致挑戰，惟有匹配相應的冷卻系統，才能實現強勁而穩定的功率輸出。“GTE電池具備90千瓦時的容量，峰值電流可達2200安培，支持1800安培穩定電流輸出，精心設計的電池包可以為GTE四個電動機繼續供應900千瓦的驅動力。電池芯周圍密布冷卻管，大量冷卻管縱橫交錯，構成大規模并行冷卻系統，可以將每一個電池芯的熱量快速散發出去。”德拉科汽車網站上這樣描述道。

迪恩表示，德拉科公司在電池包設計開發上非常努力，鋰電池設計本身也成為整車架構設計的一部分。“電動車電源設計通常考慮續航或功能優先，但我們選擇了一條與眾不同的路線，因為我們瞄準的是賽車市場。我們造出的汽車要能在賽道上贏得比賽，所以對電源及設計要求都非常高，而且要配備強大的冷卻系統，以戒備電池過熱。電池在充放電時，總有部分能量以熱的形式消耗掉，這就是電池的化學特性。”

電池與電池包設計的緊要挑戰是要怎么樣適應寬溫度范圍工作，電池與電池包本身工作溫度范圍很窄，但汽車工作環境千差萬別，要電池包能夠適應寬溫度范圍與其他嚴苛的外部環境。電池包中的一個電池芯因過熱發生問題，很可能會引發整個電池包的鏈式反應。

“這就是為甚么人們喜歡用常規標準電池芯，因為電池芯制造商已經對電池芯做了非常嚴格的探測，采取多種措施以確保電池芯不會爆炸，”迪恩說道，“到電池包開發階段，要的就是在電池包內放置足夠數量的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，時刻監控所有狀況。理論上，每一個電池都會配相應的保險絲，通過微控制器來控制電池包的狀態并決定是不是熔斷保險絲。倘若出現過熱，要有相應的液冷設備來確保電池包溫度能降下來。倘若不考慮系統的可靠性、安全、健壯性、功率輸出，設計出的電池包將危如累卵。”

Mentor的辛哈同意德拉科的觀點，電動車充放電不是把車放到有空調的車庫去充電那么簡單。“我們的很多客戶意識到了這些問題。在充放電系統中，電池芯當然很緊要，但它只是整個問題的一小部分。倘若對電池包的熱管理解決沒做好，即便選用全球最好的電池芯，也不能保證系統在充放電時的安全。在實現直流快充時，要考慮的因素很多，開發人員要保證系統能既做到快速充電，又不浪費能源。”

另外，所有上述問題，倘若發生，都將影響到整車架構，辛哈說道。“很少有人能在紙上列出，或者說出‘倘若這個問題發生了，我將這樣應對；倘若那個問題發生了，我將那樣應對’。應對復雜系統設計中數百條問題的排列組合，是專用軟件發揮用途的時候，利用軟件，開發人員能在系統開始設計時就能厘清有哪些技術選項，怎么才能成本更優化，以及‘倘若我這樣做，將會得到這種結果；倘若我那樣做，將會得到那種結果’。依據上述分解，開發團隊很容易就做出正確決定。這是我們和很多設計軟件客戶交流時得到的反饋。所以，使用模式決定了采用哪種整車架構。”

每個環節都很緊要，它們還要上下銜接。“內燃機車與電動車是完全不同的兩種開發思路，”辛哈說道，“內燃機技術非常成熟，開發人員只要選擇適宜的現成技術，將其融入系統中即可，從車身、座位、到座艙技術，一切都按部就班、有章可循，但電動車還不是這樣。”

數據在哪里？

在半導體設計的某些范疇，存在數據過多的現象，但在電池設計中，開發人員往往面對數據偏少的問題。

“我已經在這個范疇有幾年，一門心思投入到抓取電池數據工作中，也與客戶或制造商一起合作來收集數據，但電池數據真的很難抓取。”新思科技的凱利說道，“（新思科技的工具）不是筆直的人工智能，但借助新思科技工具，開發人員可以用最小量的數據，來猜測系統的性能。”

利用工具生成的可用電池包模型，可以嵌入系統中進行系統級仿真，通過設置充電初始狀態、電池包構成參數等條件，來計算系統在典型歐洲工況等場景下的結果。開發團隊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，甚至能源效率與續航里程。

新思科技的巴頓表示，這些模型是電動車設計的關鍵。“很分明，電池是電動車的基礎，可能是最有挑戰的零部件之一，也是開發人員承擔壓力之所在，因為電池系統是區分不同電動車的根本。車身重量與整車電池能量是一對難平衡的參數，新增電池數量可以新增整車電池能量，但同時也新增了車身重量，從而新增單位里程耗電量。所以，每一次新增電池容量都要同時考慮新增的車重。”

電池的化學特性也應考慮。“電池芯材料有很多種組合，出產成電池芯時也有很多種布局辦法，不過我們有時忽略了電池芯材料在化學特性上的難點。”巴頓說道，“功率電子就是這樣，連接電池和電動機以及車上所有要供電的

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除