为何动力电池设计困难重重?

时间:2019-10-11 16:16 来源:未知 作者:admin 点击:
以前汽车的 电 池 总是当做即插即用部件,但在电动汽车上,电池的角色发生了改变。现如今,电池是电动汽车差异化关键,也是电动汽车中最重,同时也是最贵重的部件。 传统汽车中

以前汽车的总是当做即插即用部件,但在电动汽车上,电池的角色发生了改变。现如今,电池是电动汽车差异化关键,也是电动汽车中最重,同时也是最贵重的部件。

传统汽车中的电池,原本是一个相当简单的零部件。但在电动汽车中,动力电池组中密布各种传感器,以监测电池发热状况与老化效应,以及动态热负荷与自愈效应。最重要的,电动汽车的动力电池必须在整车架构层面进行设计开发,因为电池的运行状况将影响到整个系统,而且动力电池模块的设计、组装、维护还面临诸多困难。

“每个人都清楚,电池是电动汽车中最重要,也最有难度的部件。电池决定了一部电动汽车的重要参数,比如续航里程、成本、安全,以及充电的便宜性等,” 新思科技(Synopsys)研发工程师布莱恩·凯利(Bryan Kelly)说,“续航里程短、成本高、电池组易出毛病,以及充电设施分布不均衡,是当前纯电动汽车面临的主要困难。电池提供了能量,但它需要被良好地管理与控制,这样电动汽车其他零部件才能正常运作。”

这就是系统开发思维能发挥作用的地方了。“压缩机、水泵、马达、辅助电源模块,以及车载充电模块,电动汽车需要多种功率电子器件,”凯利说道,“而且,汽车行驶时,上述模块中的功率半导体开开关关,(是耗电的大头),续航问题总会存在。所以电动汽车中总倾向于用大电池,高功率的大电池需要有相应的功率器件来传输能量。这些大功率器件的开关频率要更高,因为功率器件的开关速度越快,传输电能时浪费的越少,电动汽车围绕电池进行系统设计的一切都是为了能效,提高能效是底线。”

自动驾的引入将会大幅增加开发难度。“(引入自动驾驶)必须要更早在全系统层面进行开发,并研究电池在系统中的作用,”新思科技应用工程经理吉姆·巴顿(Jim Patton)说道,“这需要更多的仿真,因为自动驾驶功能非常耗电。(实现自动驾驶功能)开发人员需要增加一堆摄像头,若干影像处理模块,以及很多别的元器件,这些元器件都会增加耗电。自动驾驶功能是电动汽车中另一大耗电模块,开发人员需要认真计算仔细仿真(以满足系统续航要求)。”

上述所有功能的实现都要保证安全。“开发人员可以自动插入开路或短路的电路,进行大量故障仿真,以应对各种意外状况。比如,'如果交流发电机坏了会怎样?我还能把这辆出故障的自动驾驶汽车开到路边吗?' 开发人员要能在安全的前提下处理这种故障,并制定相应的策略以应对不同故障。开发人员要对最坏状况有应对方案,当最坏状况发生,能够把电源从非性命攸关的模块切断,而用以维持刹车等关键部件。”巴顿说道。

充电的考虑

充电速度也是电动车差异化的重要体现。“十年前,我刚开始在这个领域工作时,电池组的成本超过1000美元/千瓦时,”西门子Mentor事业部(Mentor, a Siemens Business)新移动解决方案机械分析部总监谱尼特·辛哈(Puneet Sinha)说道,“现在,特斯Model 3或者佛兰的电池成本,已经接近150美元/千瓦时,电池成本下降非常快。”

伴随电池价格的下降,横在电动车面前的主要障碍变成了如何提高充电速度。充电速度要求改变了电池的基础设计。

“快充技术的发展,要求电池芯必须能在使用寿命缩减不大的前提下,承受快充条件,而且不能有隐患,”辛哈说道,“电池芯能否耐受快充条件,主要取决于电化学材料,但从电池组层面来看,电极如何设计也会影响到电池组是否耐受快充。这些研究是非常重要的,因为短时间把150到200千瓦时的能量充入电池很有挑战,而且充电时会产生很多热量,所以行业内企业在研究如何在充电时冷却电池的技术。”

对这些问题,德拉科汽车(Drako Motors)首席执行官迪恩·德拉科(Dean Drako)颇有同感。德拉科汽车为自己生产的GTE电动超跑设计开发了电池。

GTE的电池组支持兆瓦(MW)级功率输出,GTE要实现创纪录的性能,电路的承载能力将受到极致挑战,只有匹配相应的冷却系统,才能实现强劲而稳定的功率输出。“GTE电池具备90千瓦时的容量,峰值电流可达2200安培,支持1800安培稳定电流输出,精心设计的电池组可以为GTE四个电动机持续提供900千瓦的驱动力。电池芯周围密布冷却管,大量冷却管纵横交错,构成大规模并行冷却系统,可以将每一个电池芯的热量快速散发出去。”德拉科汽车网站上这样描述道。

迪恩表示,德拉科公司在电池组设计开发上非常努力,锂离子电池设计本身也成为整车架构设计的一部分。“电动汽车电源设计通常考虑续航或功能优先,但我们选择了一条与众不同的路线,因为我们瞄准的是赛车市场。我们造出的汽车要能在赛道上赢得比赛,所以对电源及设计要求都非常高,而且要配备强大的冷却系统,以防止电池过热。电池在充放电时,总有部分能量以热的形式消耗掉,这就是电池的化学特性。”

电池与电池组设计的主要挑战是如何适应宽温度范围工作,电池与电池组本身工作温度范围很窄,但汽车工作环境千差万别,需要电池组能够适应宽温度范围与其他严苛的外部环境。电池组中的一个电池芯因过热发生问题,很可能会引发整个电池组的链式反应。

“这就是为什么人们喜欢用常规标准电池芯,因为电池芯制造商已经对电池芯做了非常严格的测试,采取多种措施以确保电池芯不会爆炸,”迪恩说道,“到电池组开发阶段,需要的就是在电池组内放置足够数量的温度传感器、电压传感器、电流传感器,时刻监控所有状况。理论上,每一个电池都会配相应的保险丝,通过微控制器来控制电池组的状态并决定是否熔断保险丝。如果出现过热,要有相应的液冷设备来确保电池组温度能降下来。如果不考虑系统的可靠性、安全、健壮性、功率输出,设计出的电池组将危如累卵。”

图1

德拉科汽车电池组  来源:德拉科汽车

Mentor的辛哈同意德拉科的观点,电动汽车充放电不是把车放到有空调的车库去充电那么简单。“我们的很多客户意识到了这些问题。在充放电系统中,电池芯当然很重要,但它只是整个问题的一小部分。如果对电池组的热管理处理没做好,即便选用全球最好的电池芯,也不能保证系统在充放电时的安全。在实现直流快充时,需要考虑的因素很多,开发人员要保证系统能既做到快速充电,又不浪费能源。”

另外,所有上述问题,如果发生,都将影响到整车架构,辛哈说道。“很少有人能在纸上列出,或者说出‘如果这个问题发生了,我将这样应对;如果那个问题发生了,我将那样应对’。应对复杂系统设计中数百条问题的排列组合,是专用软件发挥作用的时候,利用软件,开发人员能在系统开始设计时就能厘清有哪些技术选项,怎么才能成本更优化,以及‘如果我这样做,将会得到这种结果;如果我那样做,将会得到那种结果’。根据上述分析,开发团队很容易就做出正确决定。这是我们和很多设计软件客户交流时得到的反馈。所以,应用模式决定了采用哪种整车架构。”

每个环节都很重要,它们还要上下衔接。“内燃机车与电动车是完全不同的两种开发思路,”辛哈说道,“内燃机技术非常成熟,开发人员只需要选择合适的现成技术,将其融入系统中即可,从车身、座位、到座舱技术,一切都按部就班、有章可循,但电动汽车还不是这样。”

数据在哪里?

在半导体设计的某些领域,存在数据过多的现象,但在电池设计中,开发人员往往面临数据偏少的问题。

“我已经在这个领域有几年,一门心思投入到抓取电池数据工作中,也与客户或制造商一起合作来收集数据,但电池数据真的很难抓取。”新思科技的凯利说道,“(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,开发人员可以用最小量的数据,来推测系统的性能。”

利用工具生成的可用电池组模型,可以嵌入系统中进行系统级仿真,通过设置充电初始状态、电池组构成参数等条件,来计算系统在典型欧洲工况等场景下的结果。开发团队可以直观地查看各电池芯电压与电流的变化,能量消耗,充电状态,甚至能源效率与续航里程。

新思科技的巴顿表示,这些模型是电动汽车设计的关键。“很明显,电池是电动汽车的基础,可能是最有挑战的零部件之一,也是开发人员承担压力之所在,因为电池系统是区分不同电动车的根本。车身重量与整车电池能量是一对难平衡的参数,增加电池数量可以增加整车电池能量,但同时也增加了车身重量,从而增加单位里程耗电量。所以,每一次增加电池容量都要同时考虑增加的车重。”

电池的化学特性也应考虑。“电池芯材料有很多种组合,加工成电池芯时也有很多种布局方法,不过我们有时忽略了电池芯材料在化学特性上的难点。”巴顿说道,“功率电子就是这样,连接电池和电动机以及车上所有需要供电的零部件,所以提高功率电子的效率很重要。”

冷暖空调系统是另一个需要优化的模块。“最高可能有40%的电能被用于冷却电池,电池需要被控制在安全温度范围工作,”巴顿说,“再加上驾驶舱的冷暖空调,电动汽车在北方冬天时就很狼狈。打开暖空调时,电量下降速度简直像决堤之水,所以我们的消费者希望开发人员能尽快从系统层面进行改善。”

上述因素都加在一起,系统级面临的挑战就显得奇大无比。

“在系统设计时,把所有这些相互作用的零部件放在一起,各器件又是这么复杂,不进行系统仿真就成了一团乱麻,不知道结果是什么。”凯利说道,“车上有太多移动部件,很多行为只靠数学计算得不到正确结果,仿真不再是可有可无,开发人员只有利用仿真工具才能得到全部设计参数。而且,电池本身就是非线性器件,有很多非线性效应,其参数与温度和充电状态都有关。所以,从系统层面来看,任何部件都有不可预期的工作状况,有太多的变量,只有通过工具仿真才能理解整个系统,不然就像在小黑屋里乱扔飞镖一样不知所终。”

摩尔科技(Moortec)首席执行官斯蒂芬·科罗舍(Stephen Crosher)表示,电池的系统设计困难重重,但这却为更先进技术引入打开了门路,比如片上监控。利用片上监控来实现电池组热监护功能,能够从电池中榨取更多的能量。“不管是给手机增加15分钟播放时间,还是让用户不再因里程焦虑而关闭电动车中功能(比如空调),只要能延长电池寿命,就能改善用户体验。”

电池系统开发面临的困难也为很多新材料搭起上车之路,尽管这些材料从未在汽车上用过。

“以前人们都用硅材料做功率器件,但近年来,宽禁带半导体材料由于在高压、高功率应用中的优异特性,越来越受到重视。”芯师(Silvaco)公司市场高级总监格拉汉姆·贝尔(Graham Bell)说道,“碳化硅和氮化镓是功率器件中的新生力量。”

碳化硅市场增长前景反映了功率器件材料变化趋势。

“主要受混动与纯电动汽车需求驱动,未来5到7年,碳化硅市场年复合增长率接近30%,”贝尔说道,“从供电设施到为电池充电的直流电源,碳化硅器件在电力输送过程里的电源转换环节用途很广。碳化硅器件另一个应用领域是用在电动汽车伺服电动机等控制模块中。当然,碳化硅还可以用于汽车电动机或其他部件的稳压电路等高功率电路中。”

结论

Mentor的辛哈表示,半导体与汽车电子生态圈将迎来波澜壮阔的十年,共同经历汽车行业天翻地覆的变化,并见证最终的胜者。

“我们审视历史规律,就能做出清楚的判断,在电动汽车(无论有人驾驶还是无人驾驶)市场,那些触类旁通、锐意创新、不墨守成规的企业有更大的机会赢得未来,这类企业不只遵循百年未变的老传统,要有横跨电气、电子、机械三领域高度的视角,能将跨域技术有机融合,真正将三个领域技术融会贯通。”辛哈说道,“设计、制造与用户体验的不同,决定了如何跨域开发,电动汽车的开发要用一种更开放的融合流程,而不是沿用过去的方法。”

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