中文 英语

使电池更密集,安全

创造更好的电池需要的不仅仅是化学。

受欢迎程度

电池技术是提高迅速,由电动汽车的需求快速增长和巨大的半导体行业开发的知识。

电动汽车市场(EVs)是在一个快速上升趋势,与全球销售预计增长超过12次超过3100万辆。事实上,电动汽车将占近三分之一的新汽车销售到2030年,从2020年的约250万辆汽车,据德勤。除了这一转变的,消费者对更好的车辆性能和可持续性的需求意味着oem厂商和汽车生态系统必须提供更好的电池和电子管理。

电动汽车的历史可以追溯到130多年。一系列的突破与电池和电动汽车在1800年代导致第一个电动汽车在美国的道路上约1890人。到1900年,电动汽车由大约三分之一的所有车辆在路上,并继续稳步增长了十多年,直到大批量生产内燃engine的福特t型超过了其电动同行。

另一个融合的技术进步,以及环境和成本问题,再次使电动汽车发展的前沿。

图1:更好的和更便宜的电池可能会有不同。瑞克电动汽车,大约在1900年。来源:史密森学会/美国历史Museaum

图1:更好的和更便宜的电池可能会有不同。瑞克电动汽车,大约在1900年。来源:史密森学会/美国历史Museaum

下一代电池目的针对电动汽车采用障碍诸如成本、碳足迹,每次充电。需要先进的电池生命周期管理和数据收集/分析实现可持续发展目标,以及重用和回收。由于半导体之间的紧密邻接和汽车电池、半导体生态系统玩家将能够在下一代电池发展中发挥作用。

“这是相同的物理驱动电池和半导体设备,“说Søren Smidstrup,研发的资深经理Synopsys对此。“这是相同的基本方程。我们有时指的是模拟“从头开始”模拟,意义从一开始。从仿真的角度来看,它都是相同的量子力学方程解。应用领域不同,所以有很多需要领域知识,但它的邻接我们试图使用模拟的能力水平,仅使用驱动器的基本物理定律。因此,尽管电池和EDA似乎遥远在物理方面,它们是相邻的。”

最终的目标是增加能量密度电池,这归结为选择合适的化学反应。化学提供了连续的存储容量的增加电池使用相同的大小。

”今天在行业的持续追求,在这个领域已经有很多改进公司在汽车生态系统介入,“医学院毕业Sinha说,新的流动性主任西门子数字行业软件。“即使是在过去10年,电池的能量密度几乎增加了两倍。这意味着在同样重量的电池,我们将在三倍的能量。”

这是通过提高每个细胞内的化学反应,已明显改善,它解释了为什么今天EVs提供大约250英里的驾驶范围是一样的价格范围在2010年要短得多。例如,日产Leaf 11年前大约有100英里范围内。日产Leaf今天有2 x练习场同样的价格,Sinha说。

在阳极和阴极的化学反应,还需要改进使细胞更多的能量密度。“在过去,一些常见graphite-based或碳基材料为阳极,而镍锰钴的组合利用了阴极能量密度增加。目前,业内已被确认的一件事,尤其是在供应商端,只需要释放化学物质从石墨阳极的。”

这里,汽车生态系统内的各种球员正在调查使用新材料,结合硅和碳石墨的形式,作为阳极,以便它可以接受更多的锂在同一个空间。这是获得更高的能量密度的关键细胞。但它也增加了新的挑战,因为硅冷缩锂。

“想到一个板,不断扩大和收缩取决于服用锂或锂回馈,”Sinha说。“由于这个萎缩和肿胀,硅颗粒可以分解或分裂,当发生能量密度下降,细胞的生活开始迅速下降。正因为如此,在业界有很多活动使硅更健壮萎缩和肿胀时,裂缝不开发和材料的完整性继续给高能量密度在很长一段时间。”

能够模拟在一个原子的水平是至关重要的。“我们开始在原材料方面,看看什么类型的材料,什么类型的新思想可以在阳极或阴极,”罗纳德·海鸥说,导演,咨询和工程服务TCAD Synopsys对此。“什么类型的新结构的分隔符可以帮助缓解一些问题像树突的飙升,基本上摧毁电池?或什么类型的电解质可以更有效的从材料的基本物理性质的观点?”

与许多复杂的设计,技术图纸从元素周期表比以往任何时候都更大。电池行业的好消息是,芯片行业探索深度。

元素周期表”我们可以看到发生了什么,这是我们的地盘,我们看着碳化硅,锗、镓砷化物,磷酸盐,硼,“海鸥说。“这是我们在半导体领域做大部分的工作。即使在古典的电池优化电池,有一些运动,我们试图摆脱碳硅或铝。这些原子的属性的变化,他们改变行为,因此我们需要看到什么可以工作和不能工作。”

现在很多活动的另一个领域是取代钴在标准电池,主要因为它是非常昂贵的,还因为它在数量是有限的。“有材料候选人在这一领域,可以看着,和组合,”他说。“然后我们看向离子,因为大多数都是围绕锂离子电池。这是一个非常小的原子。它非常的移动。它很快速。但它还包括风险非常被动,易燃,可能导致爆炸。由于这个原因,有研究发现新的离子,如钠、镁、甚至镉。

固态电池也被认为是一个选择,还有研究在原子论的层面,试图找出发生了什么接口的不同的化学物质,它可以优化,以及产业如何与他们一起工作。

“研究固态电池收到了很多资金在创业公司的世界里,“海鸥。“最大的希望是,我们可以去一个固态电解质,远离液体状态,这将允许一个非常安全的电池性能在一个类似的成本高,但是更高的可靠性,特别是对爆炸或热的问题。”

不过,真的很难去新电池体系结构,所以模拟是一个很好的方式尝试新材料迅速配置。

“如果你有四个或五个不同的成分具有不同成分和不同的晶体结构,探索空间很大。你必须试着材料在不同星座的组合,在不同温度、不同压力下,观察他们的行为举止。这样计算,你可以缩小有前途的方法和材料不经过试验,没有构建电池和测试在现实世界中,和提出新的创造性的方式来创建下一个为你的电池材料,”他解释道。

Electrical-thermal注意事项
当电池设计大规模细胞,然后扩大electrical-thermal行为发挥作用了。每一个电化学反应产生的热量,这取决于给定地区的热量运输和传播随着温度上升,增加了电化学反应的速度,反之亦然。

“热提要反应,如果温度并不是分布式任何理由——它可以设计或包装——它甚至可以创建更多的不均匀性操作的细胞,”Sinha说。“所以我们必须看的细胞正在发生的事情在物质层面和热行为。模拟是一个伟大的方式来连接所有这一切放在一起,并补充测试。”

然而,是一回事看看电热交互在一个细胞,又是一件在电池组进入车辆,成千上万的这些细胞被打包。

“你必须有管理,甚至热,如何所有这些需要冷却,”Sinha说。“之前得到这个问题需要处理什么问题,如何包装需要冷却,体积有争论。汽车人说,‘我可以给你10厘米厚的电池组,它将融入汽车的底部。不管厚度或体积,整个想法是细胞的数量最大化能量最大化。你也必须考虑到结构加固,你必须把电池组的安全价值。你可能需要取出电池体积将需要运行的冷却剂通道通过电池组。你做的一切都是体积,不能给细胞。这个包装是一个非常大的挑战,它始终存在。”

为了正确地考虑所有这些方面,需要包括CAD工具,CFD,电气和结构模拟。所有这些需要发生一起在CAD环境中,可以进行权衡。

电气系统工程主管查尔斯•Poon全球福特汽车公司(Ford Motor Co .)在最近的一次报告说,福特看到很多机会当电动汽车,以及挑战和缺陷。

“当涉及到技术,电极的制造过程而言,如何能够控制堆垛机的制造的每一个元素?”他问道。“他们是如何焊接在一起,无论它是一个圆柱形或柱状或囊细胞?每一个这些步骤是非常重要的在确保质量输出,特别是噪声因素,可以创建一个潜在的短细胞内部。有很多的经验在过去的20年,福特已经在电池工作空间,从最初的混合动力电动汽车,现在全电动汽车电池。它获得了相当多的经验在某些情况下,和选择合适的技术合作伙伴与我们一起学习的一部分,制造和发射阶段注意这些细节的制造”。

电池管理
这些热,包装,和制造问题,电池本身需要管理。

电池管理系统本质上是电池的大脑,这绝对是至关重要的,因为它必须衡量行为的每一个细胞,从温度、电压、以及每一个细胞的电荷平衡,是否还有其他方面的考虑。优化电池,工程团队必须确定最佳算法,然后把它在嵌入式软件框架。

“一旦那里,当然你想测试它在半框架之前,准备好了,”Sinha说。

作为的一部分,有很多对电池管理系统的整体运动。今天,常见的做法是董事会之上的电池管理,但无线电池管理等新技术正在发挥作用。

“从硬件的角度来看这是非常不同的,”他解释道。“现在,而不是一个实际的董事会是天生的,你是依靠无线方面。但实际的软件仍然是相同的,使用了相同的算法和嵌入式软件。”

福特的Poon同意开发软件在检测问题和缓解这些问题的能力是越来越多。“福特取得了一个重要的投资在其内部电池管理软件。的一个主要目标是能够监控电池的健康,所有的数组,每一个细胞,并能延长生命,创造理想的条件扩展的所有功能,管理所有与之相关的热的问题,这样我们就能保证安全运行通过车辆的生命。”

电池管理的概念也可能重用或回收电池的,尤其是一些估计70%的电动车电池的生活是离开车辆时退休。现在的问题是,是否所有的锂离子电池,可以回收。

Poon表示,福特的电池设计在机械方面,以及化学方面,可以回收,和一个新的实验室建立了合作,专门解决这一点。在未来,汽车制造商计划使再循环能力的一个重要方面的输入原材料,将利用其细胞制造过程。

技术主管吉娜Aquilano模拟设备的汽车业务单元,在最近的一次报告说,这是毫无疑问的大规模投资回收努力,注意汽车生态系统正在准备使用电池的海啸线在未来十年。”,但考虑到电池技术的进步,和电池管理,会有很多生命的离开给时电动汽车。有很多的动力在起作用的成本权衡分析是否直接回收,或重用,然后回收。有电池重用流程可以交付价值oem或电池所有者和帮助恢复的初始成本进入电池生产。”

模拟设备等公司一直密切关注这一地区由于在连接到电池的电子产品可以帮助实现循环的目标,无论最终的路径。

在维修方面,Aquilano指出,如果有一个问题和一个电池包,必须做出决定是否要更换整个包或换出一个模块。无线电池管理可以显示细节需要更换,如部分的电池组,电池组中的一个模块,而不是整个包。“监测电池以一种高度精确的方式,收集这些信息在整个生命周期,可以帮助这些决策和预测修复之前就停机。”

蒂姆•Grewe一般通用汽车电气化战略和细胞工程主管,说这是今天发生的。“当你拉到一个通用服务中心,我们证明了无线功能,年前硬件加密的网络安全。我们可以把这些数据,把它分成云,并使用它不仅直接服务,但由于它有一种区块链细节,我们有这个信息在云端。远程信息处理的基础上,我们知道来自锂矿,我们知道,锂的特点。我们知道它是如何用于其主要生活,我们知道它是如何用于二次生命,然后我们可以喂这些信息来回收。的一个关键创新发生在现在的回收是他们不将电池分解的贱金属硫酸盐,但新的发展允许他们直接进入阴极活性物质,因为其中一些信息出来的这些块链。”

未来
随着电气化汽车生态系统投入更多,也意识到所有的新发展和技术,他们不仅需要更多的人,因为新项目和新汽车,但是他们需要新的专业知识。

“这是物质层面上的专业知识和电化学专业知识,以及嵌入式软件专业知识,但它更普遍考虑电动汽车和电池,不例外。最后,电池技术特别是是一个地方,不仅仅是物理学的问题,不同的团队需要合作,“西门子EDA Sinha说。

从电池的团队身体在白色的团队、软件、电子、电池管理团队,他说:“如果他们不合作,最终的结果是非常糟糕的,因为一切都是相互依存的。有必要有订婚,都说不同的语言。虽然我们不能使人成为专家在所有这些领域中,通过模拟和数字线,我们可以连接不同的组,这样他们可以合作需要得到正确的系统”。

周围的回来与半导体的连接,和相关材料。

“现在我们所做的一切都是基于革命在硅、“Synopsys对此Smidstrup观察。“这是一个单一的元素,和一个元素的属性的理解整个革命。这同样适用于电池。但是如果一个人想搬到下一代,组合的数量变得更大。当他们开始制作芯片,它花了50年发展到今天的我们。今天,竞争是强硬,从气候的角度和从技术竞争的角度来看,无论你需要获得成功。”

管理复杂性变得至关重要。“当涉及到更多的元素有很多,只是尺度复杂性的手为你做实验工作在所有条件下,“Smidstrup说。“这是一个模拟的地方可以加快新材料的研究,尤其是因为许多这些材料钴非常有毒,模拟可以排解一些可能不安全的实验。模拟也可以帮助定义我们应该开拓更多的边界,而应该多我们没有探索。有时模拟可以揭示底层物理限制,不能越过某些标准,也可以指导优化未来的地方。可以表明理论最大值,例如,当你接近,这意味着你应该搜索其他地方所以它可以加速,还指导方向,”他说。



留下一个回复


(注意:这个名字会显示公开)

Baidu