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提高电池密度和安全性

制造更好的电池需要的不仅仅是化学。

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在电动汽车需求快速增长和半导体行业开发的大量知识的推动下,电池技术正在迅速发展。

电动汽车市场(EVS)是一个快速向上的轨迹,全球销售预测超过3100多辆以上的12倍。事实上,EVS将达到2030年的新车销售的近三分之一,根据Deloitte的说法,从2020年的大约250万辆。随着这种转变,消费者对更好的车辆性能和可持续性的需求意味着OEM和汽车生态系统必须提供更好的电池和电子产品来管理它们。

电动汽车的历史可以追溯到130多年前。19世纪,电池和电动机取得了一系列突破,大约在1890年,第一辆电动汽车在美国上路。到1900年,电动汽车约占上路车辆的三分之一,并持续稳定增长了十多年,直到大规模生产的基于内燃机的福特t型车超过了电动汽车。

技术进步以及环境和成本问题的另一汇合再次为汽车发展的最前沿带来了EV。

图1:更好更便宜的电池可能会有所不同。大约1900年,一辆莱克电动汽车。资料来源:史密森学会/美国国家历史博物馆

图1:更好,更便宜的电池可能会产生差异。riker电动车,大约1900年来源:史密森尼亚/美国历史国家肉体

下一代电池旨在瞄准EV采用屏障,如成本,碳占地面积和每次充电范围。这需要先进的电池生命周期管理和数据收集/分析,以实现可持续发展目标,以及重用和回收。由于半导体和车辆电池之间的邻近邻接,半导体生态系统玩家在下一代电池开发中发挥作用。

“驱动电池和半导体设备的物理原理是一样的,”Søren Smidstrup说synopsys.。“这是相同的基本方程。我们有时会引用我们作为'AB Initio'模拟的模拟,从一开始就是含义。从模拟角度来看,它的所有相同的量子机械方程都可以解决。应用区域是不同的,因此需要大量的域知识,但是我们尝试使用模拟此功能的能力是级别的邻接,只使用驱动它的基本物理法律。所以,虽然电池和EDA在物理学方面看起来很遥远,但它们是邻近的。“

最终目标是提高电池的能量密度,这归结为选择合适的化学物质。使用相同尺寸的电池,化学技术提供了不断增加的存储容量。

该公司的新移动性主管Puneet Sinha表示:“在汽车行业,这种追求一直持续到今天,整个汽车生态系统的公司都参与了进来,这一领域已经有了很多改进。西门子数字工业软件。“即使在过去10年中,电池的能量密度几乎三倍。这意味着在相同的电池重量,我们的能量更多。“

这是通过改善每种细胞内的化学的化学来实现的,这解释了为什么今天提供约250英里的驱动范围的EVS在2010年的比较短的价格。例如,日产叶11年前有100英里的范围。SINHA说,今天的日产叶有一个2倍的驾驶范围,同样的价格相同。

在阳极和阴极的化学成分中,需要进行改进,使电池的能量密度更高。“过去,一些石墨基或碳基材料常用于阳极,而镍-锰-钴的一些组合用于阴极以提高能量密度。目前,在行业中,特别是在供应商方面,发现了一件事,即需要从石墨中分离化学成分白色仅作为阳极之一。”

在这里,汽车生态系统中的各种参与者正在研究使用新材料,比如石墨形式的硅和碳的组合,作为阳极,以便在同一空间中可以接受更多的锂。这是细胞获得更高能量密度的关键。但这也增加了新的挑战,因为硅在与锂竞争时会膨胀。

“考虑一下委员会,这取决于它是否正在服用锂或留下锂,”索尼娜说。“由于这种缩小和膨胀,硅颗粒可以开始分解或分开,并且由于发生能量密度下降并且细胞的寿命开始迅速下降。因此,在行业中有很多活动使硅更加坚固,因此当它缩小和膨胀时,裂缝不是开发的,并且材料的完整性继续长时间提供高能量密度。“

能够在原子水平上模拟这一点至关重要。“我们从原材料方开始,看看什么类型的材料,什么类型的新想法可以在阳极或阴极上工作,”TCAD在Synopsys的TCAD的咨询和工程服务主任说。“分离器中的新结构是有助于减轻一些问题,如突然摧毁电池的树枝状物?或者可以使用什么类型的电解质,从材料的基本物理性质中更有效地使用?“

与许多复杂的设计一样,技术从元素周期表中吸取的元素比以往任何时候都多。电池行业的好消息是,芯片行业已经深入探索了这一点。

古尔说:“我们可以通过元素周期表来了解发生了什么,这是我们自己的地盘,所以我们正在研究碳化硅、锗、砷化镓、磷酸盐和硼。”。“这是我们在半导体领域开展大部分工作的地方。即使在经典电池的电池优化中,也有一些运动,我们试图从碳更多地转移到硅或铝。这些原子特性会发生变化,它们也会改变行为,因此我们需要了解哪些能实际工作,哪些不能工作。”

目前另一个活跃的领域是更换标准电池中的钴,主要是因为它非常昂贵,但也因为数量有限。他说:“在这一领域中,有一些重要的候选者,以及它们的组合,是可以研究的。”。“然后我们看看锂离子,因为大多数电池都是围绕锂离子建造的。锂离子是一个非常小的原子,它的流动性非常强,速度非常快。但它也包括了它非常活泼、易燃并可能导致爆炸的风险。正因为如此,有研究发现了新的离子,如钠、镁,甚至cadmi嗯。

固态电池也被视为一种替代品,在原子水平上进行了研究,试图找出不同化学物质界面上发生了什么,如何优化,以及工业如何与它们协同工作。

“固态电池的研究已经在创业界获得了大量资金,”吉尔指出。“最大的希望是,我们可以从液体状态转向固态电解质,这将使一个非常安全的电池,以类似的成本,高性能,但更高的可靠性,特别是在爆炸或热问题。”

尽管如此,还是很难找到新的电池结构,因此模拟是快速尝试新材料配置的好方法。

“如果你有四到五种不同成分,具有不同的成分和不同的晶体结构,那么探索的空间就会很大。你必须尝试不同星座、不同温度、不同压力下的材料组合,看看它们的行为。通过计算,你可以缩小有希望的方法和有希望的材料的范围,而无需进行实验,无需制造电池和(在现实世界中)测试,并想出新的创造性方法来为你的电池制造下一种材料,”他解释说。

电-热考虑因素
当然后将电池设计缩小到大规模的细胞时,电热行为就发挥作用。每种电化学反应产生热量,并且根据温度升高在给定区域中的热量在给定区域中传播的情况,这增加了电化学反应的速率,反之亦然。

辛哈说:“热量进入反应,如果温度由于任何原因没有分布——可能是设计或包装——它会在电池的运行中产生更多的不均匀性。”。“因此,我们必须从材料水平和热行为的角度来观察电池。模拟是将所有这些联系在一起并补充测试的一种很好的方法。”

然而,观察一个电池中的电热相互作用是一回事,而电池组中的电热相互作用则是另一回事,电池组被装入汽车中,汽车中有成百上千的电池被包装起来。

“你必须在那里管理,甚至是热,这些都需要如何冷却,”Sinha指出。“即使在谈到需要处理的问题的问题之前,也需要如何冷却包装,并且竞争卷。The vehicle guys are saying, ‘I can give you a 10-cm thick battery pack, which is going to fit into the bottom of the car.’ Whatever that thickness or volume is, the whole idea is to maximize the number of cells to maximize energy. You also have to account for structural reinforcement that you have to put in the battery pack for the safety worthiness. You may have to take out battery volume to put in the coolant channels that need to run through the battery pack. Everything you’re doing is volume that you cannot give to the cells. This is a very big packaging challenge, and it’s always there.”

要正确考虑所有这些方面,所需的工具包括CAD、CFD、电气和结构模拟。所有这些都需要同时进行,以便在CAD环境中进行权衡。

福特汽车公司(Ford Motor Co.)电动系统工程全球总监潘伟群(Charles Poon)在最近的一次演讲中说,福特看到了电动汽车带来的很多机遇,但也看到了挑战和隐患。

“说到技术,就电极制造工艺而言,你如何能够控制堆垛机制造的每个要素?”他问道。“它们是如何焊接在一起的,无论是圆柱形的、棱柱形的还是小袋形的电池?这些步骤中的每一步都是确保质量输出的关键,特别是可能在电池内部造成潜在短路的噪声因素。在福特公司20多年的发展过程中,我们学到了很多东西een在电池领域工作,从第一辆混合动力电动汽车开始,现在是全电池电动汽车。在某些情况下,选择合适的技术合作伙伴需要相当多的经验,我们一起学习,作为制造和发布阶段的一部分,关注这些细节制造业的ils。”

电池管理
除了这些热、包装和制造问题外,还需要对电池本身进行管理。

电池管理系统本质上是电池的大脑,它绝对是至关重要的,因为它必须测量每个电池的行为,从温度到电压,以及每个电池的电荷是否平衡,以及其他考虑。为了优化电池,工程团队必须确定最佳算法,然后将其引入嵌入式软件框架。

“一旦就在那里,当然你想在它准备好之前在一个硬件循环框架中测试它,”Sinha说。

作为这项工作的一部分,电池管理系统正在朝着全面的方向发展。如今,常见的做法是在电池上安装一块板来管理电池,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,”他解释说。“现在,你不是一个实际的硬接线板,而是依赖于它的无线方面。但实际的软件仍然是一样的-使用相同的算法和嵌入式软件。”

福特的Poon同意检测问题的软件的发展和减轻这些问题的能力。“福特在其内部电池管理软件中取得了重大投资。主要目标之一是能够监控该电池的健康,所有阵列和每个单独的单元格,并能够创建延长生命的理想条件,延长所有功能,管理所有功能与之相关的热问题,以便我们可以通过车辆的寿命确保安全操作。“

电池管理概念也可能对电池的再利用或再循环发挥作用,特别是因为一些估计表明,当车辆退役时,电动汽车电池寿命的70%就剩下了。现在的问题是,是否所有的锂离子电池都可以并且将被回收利用。

潘说,福特的电池是在机械方面和化学方面设计的,以便能够回收,一个新的工作实验室已经建立,专门解决这一点。在未来,这家汽车制造商计划将可回收性作为其电池制造过程中使用的原材料的一个重要方面。

模拟设备公司汽车业务部门的技术总监吉娜·阿奎拉诺(Gina Aquilano)在最近的一次演讲中表示,毫无疑问,在回收工作方面投入了大量资金。她指出,汽车生态系统正试图为未来十年内废电池下线的海啸做好准备。“但考虑到电池技术和电池管理的进步,当电动汽车问世时,它将有大量的使用寿命。在成本权衡分析方面,有很多动态因素在起作用,是直接回收,还是重复使用,然后再回收。有一些电池重复使用过程可以为消费者带来价值OEM或电池所有者,帮助收回电池生产的部分初始成本。”

由于模拟设备等公司已经密切关注该地区,因为电池附带的电子产品可以帮助实现圆形目标,无论最终的路径为何。

此外,在维修方面,阿奎拉诺指出,如果电池组中的电池出现问题,必须决定是更换整个电池组还是更换一个模块。无线电池管理可以显示需要更换的详细信息,例如电池组的一部分、电池组中的模块,而不是整个电池组。“以高度准确的方式监控电池,在整个生命周期中收集这些信息,有助于做出这些决策,并在停机前预测维修情况。”

通用汽车电气化战略和电池工程总经理Tim Grewe说,今天正在发生这种情况。“当你进入通用汽车服务中心时,我们已经展示了无线功能,它具有硬件加密功能,因此是网络安全的。我们可以获取数据,将其放到我们的云中,并将其不仅用于直接服务,而且由于它有某种区块链细节,我们将这些信息放在云中elematics,我们知道锂的来源,我们知道锂的特性。我们知道它是如何用于其主要寿命的,我们知道它是如何用于其第二寿命的,然后我们可以将这些信息提供给回收商。回收商现在的一个关键创新是他们不会破坏电池wn是指贱金属硫酸盐,但新的发展允许它们直接进入阴极活性材料,因为这些区块链中有一些信息。”

未来
由于汽车生态系统投资更多的电气化,还有实现所有新的开发和技术,由于新的节目和新车,他们不仅需要更多的人,而且还需要新的专业知识。

“这是关于材料水平的专业知识和电化学专业知识,以及嵌入式软件专业知识,这是存在的,但随着我们对电动汽车和电池的研究,也不例外。最后,电池技术尤其是一个领域,它不仅仅是物理问题,还有一些不同的团队西门子EDA的Sinha指出。

从电池小组,到身体在白队对于软件、电子和电池管理团队来说,他说:“如果他们不合作,最终结果会非常糟糕,因为所有东西都是相互依赖的。有必要有一个约定,所有人都说非常不同的语言。虽然我们不能让人成为所有这些领域的专家,但通过模拟和数字线程,我们可以连接不同的小组,以便他们可以根据需要进行合作,以获得正确的系统。”

所有它都返回到与半导体和相关材料的连接。

Synopsys的Smidstrup观察到:“我们现在所做的一切都是基于围绕硅的革命。”。“它是一种单一元素,对一种元素的特性的理解推动了整个It革命。电池也是如此。但如果想要进入下一代,组合的数量会大大增加。当他们开始制造芯片时,花了50年的时间才发展到今天的水平。今天,公司无论是从气候角度还是从技术竞赛角度来看,竞争都更为艰难,因此需要采取一切措施来取得领先。”

管理复杂性变得至关重要。Smidstrup说:“当涉及到这么多的元素时,复杂程度就变得无法控制,你无法在所有条件下进行实验工作。”。“这是一个模拟可以加速新材料研究的地方,特别是因为许多像钴这样的材料毒性很大,模拟可以取消一些可能不安全的实验。模拟还可以帮助定义我们应该探索更多的边界,以及我们不应该探索更多的边界。有时模拟可以揭示无法超越某些标准的潜在物理限制,也可以指导未来的优化方向。例如,你可以指出理论上的最大值,当你接近这个值时,这意味着你应该搜索其他地方,这样它可以加速,但也可以指引方向,”他说。



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