电池管理竞争力的电动汽车

未来电动汽车的成功或失败取决于在哪里以及如何使用这些车,以及重大进展在电池材料、电池能量密度和一些非常复杂的管理系统。

电池需要平衡,存储长时间和交付实时最需要的地方。这是一个巨大的挑战,今天几乎所有的车辆被重构,从各种元素的混合物在电池的阴极和阳极布局,形状,和包装的电池和电池模块。所有这些必须电子监控和管理,确保单个细胞老化的持续和充电正常。

取代内燃机与电池驱动的汽车是一个复杂的技术转变的第一步。增加这些车辆范围可以驱动一次充电,并减少所花费的时间的电池充电,被证明是一个更为棘手的挑战。电池容量增长约5%至6%的速度。密度存储和/或更多的电池会让车开快长,加速,但所需材料的可用性使这些电池受到地缘政治和环境问题,因此许多替代品正在考虑。

问题是如何让电池持有更多的快速充电,同时让他们更有弹性。“今天他们混合一点内硅阳极- 5%到10%,他们看着融入更多的硅的方法,”费利克斯·怀德说,高级工程师英飞凌。“在充电,你这些锂离子注入石墨烯,但你需要相当多的石墨烯锂离子。我们的想法是,你会得到更多的能量密度与硅由于硅可以捕获更多的锂离子。但它也有缺点。它不是稳定的,它扩展了很多。否则你将使用100%硅阳极。”

其他两个元素,镍和钴,今天用来提高密度,减少火灾的风险。但是短缺引起的战争的幽灵和有限的资源提高了电池的价格和依靠他们的电动汽车,并促使全球寻找新的材料,更丰富,更容易处理。

“成本是限制人们购买电动汽车的今天,“引导Srinivasan,阿贡合作中心主任储能科学与联合储能研究中心副主任。“我们估计,今年电池的成本大约是130美元一千瓦时,你需要90千瓦时为典型的电动汽车。我们认为目标需要约65美元每千瓦小时。但它看起来像2022年将是第一年,电池的平均成本会上升——尽管不是每个汽车公司因为一些有长期合同,由于钴和镍短缺。”

图1:全球锂离子电动汽车电池需求预测。来源:阿贡国家实验室

只是增加更多的电池是一个昂贵的选择通常用于豪华车市场,这是唯一的汽车出现了500英里的范围。更多或更大的电池在充电时间也有优势,因为它是快充电比几乎全空电池模块。更大的电池模块,和更多的人,越快得到另一个200或300英里的范围,因为充电的最耗时的部分是当他们几乎是完整的。

但范围也可以改变由于其他因素。风的阻力,例如,轮设计已成为一个关键问题。环境温度也会影响范围内,所以可以多山的地形。

《消费者报告》显示,2019年的现场试验范围的电动汽车在寒冷的气候中,降低了近一半。第二年,汽车和司机提高了热量,加热座椅在特斯拉模型3和报道,汽车的范围内下降了60英里。电动机不产生热量的内燃机,它基本上是像附加一个小烤箱的电池。在炎热的天气,空调也有类似的影响。

更频繁的电池充电,电池的寿命越短。这通常出现在减少最大射程随着时间的推移,类似于手机会发生什么当电池降解。但更换电池的车辆,需要发生一次为了保持平衡在一个电池模块和模块之间——是昂贵得多比买一个新的手机。反过来,这迫使汽车制造商认为更像芯片制造商,在功率预算是固定的和新的电子产品需要符合预算。

“我们的目标是尽量减少充电周期的数量,因为更换电池的成本是吓跑一些人的技术,”大卫·弗里茨说,自治和ADAS高级主管西门子数字行业软件。“力越小,系统我们可以消费,我们可以更有效地驱动汽车。我们可以使用复合材料来帮助减少体重,但只有我们可以消除。下一个大的挑战是了解所有的电子产品,它们消耗的多少。这是我们可以通过关闭这些设备控制在低功耗模式下,把它们。这发生在我们使从水平3 4和5的水平。”

电池管理
从纯粹的功能的角度来看,电池管理是汽车制造商的下一个重大的区别。而汽车原始设备制造商将继续分化的特性,有有限的独特性和定制时汽车和电动汽车的变速器。

电池管理比听起来要困难得多。今天,它包括加热、冷却和确定最优比例的延长电池的使用寿命。但这只是一个开始。在未来,电池体系结构将变得更加复杂,可能涉及到专门的电池不同的任务和新材料。也预计将工作区坏细胞,几乎与DRAM ECC内存的方式,保持更长时间的最大射程。

两个指标已经存在。一个是电荷状态(SOC),这是多少能量在一个电池在任何给定的时刻。第二个是健康状况(SOH),这是电池容量的百分比。

“健康状况会变化随着时间的推移,”斯科特说络筒机,英飞凌科技系统应用工程师。“有几个因素在起作用。一是当你增加电荷接近最大容量,你得到一个细胞内的化学变化。如果你将它充满,它可能不会持续那么长。这是手机制造商已解决。有旅行模式,通常你充电电池250英里的范围内,但对于长途旅行你可以充电300英里。由于电阻也有热的问题。更容易充电电池是空的,但它是更加困难的时候几乎是满的。所以你可以更快,然后减少基于细胞的温度。”

因电池可能过热并引起大火,还有电池的安全方面。“细胞健康是最重要的指标之一,因为当你有一个车火始于一个细胞——除非有意外损害多个单元,“络筒机说。“也许不收费或发生了一件事,它加热的热失控。这些通常是在金属盒,有试图控制传播,但有这么多的能量,最终它会扩散到其他车辆。”

使用电动汽车公司特别关注热电池内部的问题,这与引进新材料的一个挑战。一切都需要测试在极端条件下随着时间的推移,在汽车应用程序的情况下,可能只要五年。

“你需要监控电池,你需要决定什么是单个细胞的状态,”罗兰Jancke说,主管设计方法弗劳恩霍夫IIS的自适应系统分部工程。“会有备用电池,但这些系统需要决定何时切换和健康将会是什么。所以你需要一个管理系统和电池管理芯片。创建这个你需要完整的模拟,在那里你可以注入故障整体电池组,看看会发生什么,如果一个细胞失败,看看什么电池管理系统。监测的信息都是正确的吗?诊断工作吗?切换到一个不同的细胞吗?”

电池结构
电池是身体沉重,他们需要挤进一辆车,可以提高车辆的处理。他们还需要安排的方式供应足够的能源关键功能以最小的损失,同时也避免过热的电池。

“现在,我们所有的电池包一辆车的底部,和各种oem厂商正在使用大量的导电冷却,把热量通过金属底盘,“说英飞凌的络筒机。“还有使用液体冷却,导电液体。如果你把电池,这样你有部分集成到底盘在不同的点,你有很多不集中在一个区域。这是我们需要的另一边加热电池,当室外温度很冷,这样他们就可以运行在最高效率。通过分发的电池,你需要热他们在各种各样的地点。”

但并不是所有的电池都是平等的,而不是他们所有的人都适合每一个任务。汽车总是在一些系统。其他人可能只是偶尔使用。和响应时间打开车辆和在备份相机需要几乎瞬间,而一两秒钟的延迟启动信息娱乐系统通常会被忽视。电池是否会演变成一个分布式架构,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,所有选项都被探索,包括可能使用氢燃料电池作为后备电源。

“电池非常好等轻型汽车乘用车,“阿贡的Srinivasan说。“但是当你去重型卡车,船舶,飞机,只有这么多能量密度电池可以给你。人们开始谈论燃料氢,碳中和,或氨等无碳燃料。当我们开始查看de-carbonization在不同行业的背景下,不仅仅是客车,我们将开始看到其他技术发挥作用。但对于乘用车、手机、笔记本电脑、手表、不管,有可能是某种电池。”

图2:全球储备的关键矿物质中使用电池。来源:阿贡国家实验室/美国/美国部门的能量,基于利尼_0.8锰_0.1有限公司_0.1O₂阴极。

设计低功率
另一边的动力方程,当然,是提高芯片和系统内车辆的效率。

“将会有一个更大的关注更聪明,更有效的电子产品,”米甲Siwinski说,首席营销官Arteris IP。“我们已经看到一些。五年前,汽车芯片用于一种特定的方式。现在,这都是定制的过程。一些是监管和一些电动车的现实存在。但即使电池得到更高级的,你还没有成百上千,但成千上万的不同电子子系统和芯片,它们都要联系。这绝对是一个消耗电力供应。”

对于所有复杂的电子产品,最大的挑战之一是如何分区和优先级的力量。

“变化是与来自多个离散的ICs过渡到系统级芯片,西门子弗里茨说。“我们得到了soc的断电时钟门控并在需要时打开和关闭的东西。在车里,这可能是重要的,但从汽车企业的角度来看,这几乎是亵渎。有很多ecu,正在做单独的和个人的任务,他们不可能打开和关闭的事情。我们与七种不同的oem合作,和他们每个人正在采取截然不同的方法。其中一个是看四级自治解决方案,需要大约4千瓦。我们能够模型相同的解决方案,并基于最先进的技术,而不是一些现成的,耗电x86的东西,我们可以把它降到40瓦。整个系统,一旦你添加所有的外围设备,是50瓦,而4千瓦。影响范围和可持续性,因为一个完全充电可以节省约7磅的有限公司₂。”

结论
化学电池、电池管理、电池设计越来越复杂。圣杯仍然是一个快速,可充电电池,最后通过成千上万英里路,既安全又相对便宜。最复杂的电子产品,这需要权衡,一些复杂的架构,和一个几乎恒定的反思的力量在车辆交付和存储系统。虽然声音抑制等特性和光滑的监视器被用来吸引买家,有很多创新和实验进行的地方,大多数人不会看。

“汽车制造商一直试图将发动机启动电力信息娱乐和电子产品,并在一个单独的电子总线,”马克Swinnen产品营销半导体业务单位主管有限元分析软件。“随着电动汽车,这是不一样的。这些都是巨大的电池- 60至70千瓦小时。对电动汽车来说,它的范围,其中一个大问题是供暖。这或许可以解释为什么人们在密歇根和南、北达科他州不太热衷于电动汽车。”

而在整个电动汽车系统的情况下,这仍是一个巨大的挑战。