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为什么电动车电池设计如此困难

经典的“筒仓”汽车设计不再适用于作为电子系统运行的汽车。

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汽车电池一直被视为汽车的即插即用部件,但这种方法不再适用于电动汽车。事实上,电池现在是一个差异化因素,它是最重和最昂贵的组件。

以前是一个相对简单的组件,现在已经被各种传感器所取代,用来测量复杂的静态热和老化效应,以及动态热和自愈效应。此外,电池现在必须包含在车辆的整体架构中,因为它们会增加一些挑战,影响整个系统的运行。

“每个人都认识到电池是电动汽车最重要和最具挑战性的组成部分,因为它决定了关键因素,如里程、汽车的成本、安全性和充电的便利性,”布莱恩·凯利说,一位研发工程师Synopsys对此.“续航里程有限、成本高、电池问题和充电基础设施不完善是纯电动汽车面临的主要挑战。电池提供能量,但需要一些东西来指导和控制它,以运行电动汽车的其他一切。”

这就是系统级考虑发挥作用的地方。“压缩机、泵、电机、辅助动力模块和车载充电模块——需要多种类型的电力电子设备,”Kelly说。“此外,除了事物的开关,这自然指向电源半导体,范围一直是一个问题。因此,更大的电池正在建造中。它们的功率更高,电力电子需要处理这个问题。它们需要更快地转换,因为转换得越快,浪费的能量就越少,这是效率的问题。这是底线。”

自动驾驶汽车让这变得更加复杂。Synopsys应用工程经理Jim Patton说:“你确实需要更早地采用整个系统的方法,并考虑系统内部的电池。”“这推动了对模拟的更大需求。自主能力非常耗电。车上有很多摄像头,很多图像处理系统,还有很多额外的部件,这些都要消耗电力。这一点需要考虑,因为这是车辆的另一个巨大消耗。”

所有这些都需要在安全的背景下进行。“你必须模拟故障能力,这样你就可以自动插入断路和短路,并以编程方式运行大量故障场景,然后说,‘如果我的交流发电机发生故障怎么办?我还能一瘸一拐地把自动驾驶汽车开到路边吗?您需要能够处理该故障,并有一个适当的缓解策略来处理这类故障。你要预测最坏的情况,然后将电源从非救生模式切换到刹车模式,以及其他重要的事情。”巴顿说。

充电注意事项
当今电动汽车的一大区别在于充电速度。“十年前,当我开始在这个领域工作时,电池组每千瓦时的成本超过1000美元,”普尼特·辛哈(Puneet Sinha)说门拓,西门子公司.“特斯拉Model 3和雪佛兰Volt的电池,现在的价格大约是150美元每千瓦时。电池的成本已经大幅下降。”

在降价的同时,还需要一种更快的充电方式。这改变了电池的基本设计。

辛哈说:“细胞的发育必须使细胞能够接受快速充电,而不会发生巨大的衰老,而且不会发生任何不好的事情。”“这是关于细胞中的物质化学。不仅如此,在电池组的层面上,电极的设计也很重要。这些考虑是很重要的,因为当你快速充电时,你会消耗150到200千瓦的电力,而当你充电时,你会产生大量的热量。因此,各家公司都在研究如何在给同一个电池组充电时冷却电池组。

德拉科汽车公司(Drako Motors)的首席执行官迪安•德拉科(Dean Drako)理解这些问题。该公司为其GTE豪华电动超级跑车设计了电池。

该公司网站称,GTE的电池从一开始就为兆瓦功率输出而设计,其冷却能力也能在世界上最具挑战性的电路上承受铁轨级别的性能。“GTE的电池具有90千瓦时的能量容量,可输出1800个连续和2200个峰值安培,为GTE的4个电机提供900千瓦的不间断电源。内部大规模并行冷却架构整合了众多冷却通道,围绕着每个单独的电池,迅速散热一圈又一圈。”

德拉科表示,公司在这方面一直非常努力,锂离子电池的设计是整个汽车架构的思想过程的一部分。“我们选择了一个与其他制造商非常不同的设计点,他们只是试图让你的产品更多样化或其他东西,因为我们的目标是跑车市场。我们希望赛车能够在赛道上比赛,这需要大量的动力和设计,并需要更多的冷却来防止电池过热。当电池放电和充电时,一些能量会转化为热量,这就是化学物质在做化学物质在做的事情。”

设计电池和电池管理系统的挑战是,电池的可接受工作温度范围非常狭窄,并且在困难的条件下工作。因此,如果电池中的一个电池关闭并过热,就会引发连锁反应。

“这就是为什么人们喜欢使用常规的标准电池,因为制造商已经做了大量的测试和工作,以确保它们不会爆炸,”德拉科说。“因此,你需要在电池组中安装大量的温度传感器、电压传感器、电流传感器,随时感知一切。每个电池和控制整个系统的微控制器都有保险丝。它会过热,所以你必须泵入液体来保持冷却。设计电池组的可靠性、安全性、稳健性和能量是非常困难的。”


图1:Drako GTE电池组(俯视图)。来源:Drako汽车

门拓的辛哈同意,这不仅仅是把一辆电动汽车开进有空调的车库充电。“我们的许多客户都在研究这些方面。如果你观察这个系统,细胞是重要的,但它只是整个问题的一小部分。你可以拥有世界上最优化的电池,但如果你在充电时没有对电池组进行正确的热管理,它是没有用的。你不想消耗太多能量,因为你不想浪费它。因此,它以正确的方式管理系统,这样你就可以在更短的时间内完成充电,而不会浪费能源,也不会从电网中获取能量并将其倾倒。所有这些都是直流快速充电的关键问题。”

同时,所有这些问题都会影响到整个汽车架构。“很少有人,如果有的话,能把这些事情写在纸上,然后说,‘如果发生这种情况,我需要它。如果真的发生了,我需要它。“所以当你在寻找这数百种排列和组合时,这就是专业软件发挥作用的地方,所以你可以查看所有这些考虑因素,从一开始,如果你这样做,就会发生这种情况;如果你这样做了,就会发生这种情况。我有什么选择?什么可以使它具有成本效益?然后做出正确的决定。这是我们与客户进行大量互动的地方,提供正确的设计软件,所以当你在考虑车辆架构时,你可以根据使用情况定义合适的车辆架构。”

每个阶段都很重要,而且是相互联系的。辛哈说:“这是设计和消耗内燃(IC)引擎与电动汽车的巨大区别。”“内燃发动机汽车技术已经成熟得如此之多,以至于它们都被孤立了。你可以在筒仓里开发一个引擎,然后插上电源。你可以开发车体,找到合适的座位,把它插到客舱里。所有东西都可以被隔离或划分。但电动汽车却不是这样。”

数据在哪里?
在今天的半导体设计的一些领域中,存在着过量的数据。电池设计则相反。

Synopsys的凯利说:“获取数据是如此困难,多年来我一直在这个问题上绞尽脑汁,试图获取数据,并与客户和制造商合作获取数据。”“因此,(Synopsys工具)不具备人工智能。它所做的,用最少的数据集,是猜测性能将是什么。”

这就创建了一个合理的模型,可以插入到系统级模拟中,并根据工具中典型的欧洲驱动周期运行,能够插入初始充电状态,包是由什么组成,等等。这使得工程团队可以观察电池之间的电压和电流变化、能量消耗、电荷行为状态,甚至效率和范围。

Synopsys的巴顿说,这些模型对电动汽车的设计至关重要。“显然,电池是电动汽车的基础,它可能是最具挑战性的组件之一。这就是竞争压力的来源,因为现在电池在电动汽车中发挥着重要作用。体重和力量很难平衡。你可以增加更多的电池,从而增加更多的能量,但每次你这样做,你都增加了重量,你必须平衡它。”

电池的化学成分也受到了很多关注。“你会看到很多不同的化学反应和细胞布局的不同方法等等,但有时往往被忽视的是,除了化学反应之外,还有很多挑战,”Patton说。“电力电子是真正实现电气化的东西,将电池与牵引电机或车辆的其他部分连接起来,所以这些电力电子也是至关重要的。你真的需要最大化效率。”

暖通空调系统是另一个需要改进的领域。他说:“这将给电池带来高达40%的负担,因为你必须冷却电池。”“然后,随着车厢的加热和冷却,你可以看到,一些电动汽车在北方气候的冬天很艰难。当你打开暖气时,它真的会消耗电池,所以这是我们的客户推动的一个方向,试图更好地处理整个系统。”

所有这些都构成了巨大的系统级挑战。

“当你接触事物时,你在系统设计中有所有这些不同的交互设备,而现在的事情是如此复杂,你真的不知道你得到了什么,直到你模拟它,”凯利说。“你需要一个大的图景,因为某些交互作用你已经无法用数学来真正计算了。可以说,移动部件太多了。模拟不再是一种奢侈。你必须拥有它。此外,电池本身对于温度和电荷状态是非常非线性的,这是一个反映,内能,仍然可以在电池中提供能量或其他东西。还有其他的非线性效应。所以在系统层面上,一切都在意想不到的区域运行。有很多变数。你甚至不能朝谷仓的一边扔飞镖,然后猜它在哪里。 You really need the simulation to understand it.”

这些挑战可能会为更先进的技术打开大门,比如片上监控,将其与热保护带捆绑在一起可以让用户延长电池的寿命,首席执行官斯蒂芬·克劳舍(Stephen Crosher)说Moortec.“无论你是想让手机多出15分钟的播放时间,还是因为这是一辆电动汽车,所以你想让电子设备消耗掉电池,我们所能做的任何改善电池寿命的事情都将逐步增加用户体验。”

它们也为汽车中从未考虑过的各种新材料打开了大门,这些材料被用于电池周围。

“传统上,人们用硅来做电力电子产品,但最近,他们开始转向宽带隙半导体材料,这种材料有很好的性能,使它们更好地用于高电压、高功率电子产品,”格雷厄姆贝尔,高级营销总监说Silvaco.“碳化硅和氮化镓是新产品。”

增长预测原文如此反映出对这些物质变化的需求。

Bell表示:“未来5年或7年的复合年增长率约为30%,主要由混合动力电子产品和电动汽车电子产品驱动。”“这涵盖了基础设施的许多不同部分,包括电源单元、墙壁上的电源转换器,以及为电池充电的直流电源。他们还在进行一些能量转换电子设备。另一个应用领域是驱动汽车伺服电机的控制电子设备。当然,还有一个与实际的功率调节有关,就是在正确的方式、正确的时间对汽车的不同部分,包括发动机和所有其他电子设备,进行电流计量。”

结论
门拓的辛哈表示,未来10年将是半导体和汽车生态系统所有人的激动之旅,我们将看到汽车行业的变化,以及哪些公司将成为赢家。

“当我们审视世界上正在发生的这类活动时,很明显,企业能够理解、掌握并正确重视不同学科之间的连通性电气、电子和机械,从一开始,不继续孤立的做事方式的汽车工业在很大程度上已经做了几百年来,这些公司有更好的机会去赢,不管是人类驱动电动汽车,或4级或5级电动汽车,”他说。“连接在这些不同领域的我们如何设计这些车辆,你如何生产这些汽车和你将如何使用这些工具的经验,他的所有必须连接的方式讨论的一部分,不是孤立的。”



4评论

Michael d .巴克 说:

伟大的文章,许多优秀的观点被提到,我同意对我们的未来至关重要。我很想知道在自动化设备上实施控制器的效果如何?类似于用来管理和控制游乐园游乐设施和机场设备的东西。我不认为这些工具能够解决电池问题。但是,也许只有系统启动和内存备份才能尽量减少电池的使用。

布莱恩·凯利 说:

事实证明,实现“所有”外围控制器是一个简单的过程,不管它们的应用是什么,例如,执行电压、电流、SOC和温度监测和控制。但我们甚至可以超越这一点。接下来,我们可以在一个“系统级”模型中实现整个电池组+ BMS(及其谨慎的热压冷却系统),该模型可以采用其他感兴趣的设计特征。For example, traction power inverter drive and motor (IPM or induction motor), auxiliary power modules, on-board charging modules, HVAC loads, and so on (hence can cover EVs to amusement park ride applications and more). Speaking honestly here, engineer-2-engineer, leveraging the huge model library and robust simulator within SaberRD, it is possible to do all this and obtain the answers one seeks via a virtual prototype, which serves as an effective executable specification. In addition, simulation permits painless investigation of all possible variants and faults within the battery BMS and overall system design. Implementation of different topologies (e.g. cell-2-cell balancing schemes) can be investigated early on, which allows improvements before the real hardware prototype becomes available. This reduces development time and helps ensure that the first hardware prototype will be robust. Alternatively, if hardware prototype is available, then its capture as a virtual prototype will permit thorough investigation to help reduce warranty callbacks and perform functional safety analyses. Functional safety concerns are crucial, for example, if a motor shaft suddenly locks up, that resident inductive energy must go somewhere. Can verify if will wipe out the high-side drivers in the motor inverter and investigate design changes to safely shuttle that inductive kick-back. Needless to say, virtual smoke is much easier to deal with. Hope this helps answer your question…

约翰·汉弗莱 说:

我认为需要储存这么多的能量和电池的重量是主要问题,如果电池可以在驾驶时充电,那么电池就会更小更轻

吉尔伯特亨弗里 说:

是的,为了了解电动汽车电池,这个博客给了我最好的输出,我搜索了整个互联网。

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