为什么电动汽车电池设计如此困难

汽车电池一直被视为汽车的即插即用部件，但这种方法在电动汽车上已不再适用。事实上，电池现在是一个不同的因素，它是最重和最昂贵的组件。

以前相对简单的部件已经被各种传感器所取代，可以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，因为它们增加了许多挑战，可能会影响整个系统的运行。

“每个人都认识到电池是电动汽车中最重要和最具挑战性的组件，因为它决定了一些关键因素，如续航里程、车辆成本、安全性和充电的便利性，”福特汽车的研发工程师布莱恩·凯利(Bryan Kelly)表示Synopsys对此．“续航里程有限、成本高、电池问题和充电基础设施参差不齐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，以操作电动汽车中的其他一切。”

这就是系统级考虑发挥作用的地方。Kelly说:“压缩机、泵、电机、辅助电源模块和车载充电模块——需要多种类型的电力电子设备。“此外，随着电源开关的不断切换，功率半导体自然而然地成为了问题所在，范围也一直是一个问题。所以更大的电池正在建造中。它们的功率更高，电力电子设备需要处理这个问题。他们需要切换得更快，因为你切换得越快，你浪费的能量就越少，这都是为了效率。这是底线。”

自动驾驶汽车让这个问题变得更加复杂。Synopsys应用工程经理Jim Patton表示:“你确实需要尽早考虑整个系统的方法，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。你有很多摄像头，很多图像处理，还有很多额外的组件，这些都需要消耗电力。我们需要考虑到这一点，因为这是汽车的另一个巨大消耗。”

所有这些都需要放在安全的背景下。“你必须模拟故障能力，这样你就可以自动插入开路和短路，并以编程方式运行大量故障场景，说‘如果我的交流发电机故障了会发生什么?我还能把我的自动驾驶汽车拖到路边吗?您需要能够处理这种错误，并有适当的缓解策略来处理这类错误。你想要预测最坏的情况，然后将电源从非救生模式切换到刹车和其他真正重要的设备。”

充电注意事项
当今电动汽车最大的区别之一是充电速度。“十年前，当我开始在这个领域工作时，电池组的成本超过每千瓦时1000美元，”该公司机械分析部门的新移动解决方案总监Puneet Sinha说Mentor是西门子旗下的企业．“目前，特斯拉Model 3或雪佛兰Volt的电池成本约为每千瓦时150美元。电池的成本已经大幅下降。”

除了价格下降，还需要一种更快充电的方法。这改变了电池的基本设计。

辛哈说:“细胞的发育必须以一种方式进行，即细胞可以接受快速充电，而不会发生巨大的年龄损失，此外也不会发生任何不良事件。”“这是关于细胞中的物质化学。不仅如此，如何设计电极在电池组层面也很重要。这些考虑因素很重要，因为当你快速充电时，你会倾倒150到200千瓦的电力，而在充电时，你会产生大量的热量。因此，各家公司正在研究如何在给电池组充电的同时冷却电池组。

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这种电池。

该公司网站称，GTE的电池是从地面设计的兆瓦功率输出，以及冷却能力，以承受世界上最具挑战性的赛道级性能。“GTE的电池具有90千瓦时的能量容量，能够输出1800个连续和2200个峰值安培，旨在为GTE的四个电机提供900千瓦的不间断电源。内部大规模并行的冷却架构集成了围绕每个电池单元的众多冷却通道，以快速散热。”

Drako表示，该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思考过程的一部分。“我们选择了一个与其他制造商非常不同的设计点，其他制造商只是试图让你的里程或其他东西，因为我们瞄准的是跑车市场。我们希望赛车能够在赛道上比赛，这需要大量的电力和设计，以及更多的冷却来防止电池过热。当电池放电和充电时，一些能量变成了热量，这只是化学物质在做化学物质所做的事情。”

电池和电池管理系统的设计面临的挑战是，电池可接受的工作温度范围非常窄，并且在困难的条件下工作。因此，如果电池中的一个电池脱落并过热，就可能引发连锁反应。

德拉科说:“这就是为什么人们喜欢使用普通的标准电池，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。”“因此，你必须在这个电池组中做的是包括大量的温度传感器、电压传感器、电流传感器，随时传感一切。每个电池都有一个保险丝，微控制器控制着这一切。它会过热，所以你必须通过泵液体来保持它的温度。在设计电池组时，要保证可靠性、安全性、坚固性和功率是非常困难的。”

图1:Drako GTE电池组(俯视图)。来源:Drako Motors

Mentor公司的辛哈也认为，这不仅仅是把电动汽车开进有空调的车库充电那么简单。“我们的许多客户都在研究这些方面。如果你观察这个系统，细胞很重要，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，但如果你没有在充电时对电池组进行正确的热管理，这是没有用的。你不想浪费太多能量，因为你不想浪费它。所以它以正确的方式管理系统，这样你就可以在更短的时间内实现充电时间，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。”

他说，与此同时，所有这些问题都会影响到整个汽车架构。“这些是很少有人(如果有的话)能在一张纸上写下的东西，并说，‘如果发生了这种情况，我需要这个。如果那样的话，我需要它。“所以当你在寻找这数百种排列和组合时，这就是专门软件发挥作用的地方，你可以从一开始就考虑所有这些因素，如果你这样做，就会发生这种情况;如果你这么做，就会发生这种情况。我有什么选择?怎样才能使它具有成本效益?然后你做出正确的决定。在这方面，我们与客户进行了大量的互动，以提供正确的设计软件，因此当你考虑车辆架构时，你可以根据使用情况定义适合车辆的架构。”

每个阶段都很重要，而且相互联系。Sinha说:“这就是你如何设计和使用内燃机(IC)与电动汽车之间的巨大区别。“集成电路发动机汽车技术已经非常成熟，它们被孤立了。你可以在筒仓里开发一个引擎，然后把它插进去。你可以开发车身，找到合适的座椅，并将其插入机舱。所有东西都可以被隔离或分隔。电动汽车不是这样。”

数据在哪里?
在当今半导体设计的某些领域，存在着过多的数据。电池设计的情况正好相反。

Synopsys的Kelly说:“数据很难获取，我已经在这个问题上绞尽脑汁多年，试图获得数据，并与客户和制造商合作来获得数据。”“因此，(Synopsys工具)不具备人工智能。它所做的是，用最小的数据集，猜测性能将会如何。”

这创建了一个合理的模型，可以插入到系统级模拟中，并与工具中典型的欧洲驱动循环运行，具有插入初始电荷状态的能力，电池组由什么组成，等等。这使得工程团队可以查看电池之间的电压和电流变化、能量消耗、充电行为状态，甚至效率和范围。

Synopsys的巴顿说，这些车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部件之一。这就是竞争压力产生的地方，因为现在电池对电动汽车至关重要。很难平衡重量和力量。你可以添加更多的电池，从而获得更多的电量，但每次这样做都会增加重量，你必须平衡这一点。”

电池的化学成分也受到了很多关注。巴顿说:“你可以看到很多不同的化学反应，以及很多不同的细胞布局方法等等，但有时经常被忽视的是，除了化学反应之外，还有很多挑战。”“电力电子设备实际上是将电池连接到牵引电机或车辆的其他部分，因此这些电力电子设备也非常关键。你真的需要最大限度地提高效率。”

暖通空调系统是另一个需要改进的领域。“这对电池造成了高达40%的负担，因为你必须冷却电池，”他说。“然后，随着车厢的加热和冷却，你会发现一些电动汽车在北方气候的冬天很吃力。当你打开暖气时，电池就会被消耗掉，所以这是我们的客户努力推动的一个方向，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。

凯利说:“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，现在的事情是如此复杂，直到你模拟它，你真的不知道你得到了什么。”“你需要大局，因为某些相互作用你已经无法从数学上真正计算出来了。可以说，活动的部分太多了。模拟不再是奢侈品。你必须拥有它。此外，电池本身在温度和电荷状态方面是非常非线性的，这反映了电池中仍然可用的内能来为其他东西供电。还有其他的非线性效应在发生。因此，在系统层面上，一切都在意想不到的操作区域中运行。有很多变量。你甚至不能再向谷仓的一侧投掷飞镖，然后猜出它在哪里。 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，例如片上监控，将其与热防护相结合，可以让用户从电池中获得更多的寿命，Stephen Crosher说Moortec．“无论你是想让手机多播放15分钟，还是因为这是一辆电动汽车，所以你想让电子设备对电池的消耗降低，我们能做的任何改善电池寿命的事情，都将从整体上逐步增强用户体验。”

它们还为各种从未被考虑用于汽车的新材料打开了大门，这些新材料正被用于电池周围。

“传统上，人们使用硅来制造电力电子产品，但最近，他们开始转向宽带隙半导体材料，这种材料具有出色的性能，使它们更好地用于高压、大功率电子产品，”该公司高级营销总监格雷厄姆·贝尔(Graham Bell)说Silvaco．“碳化硅和氮化镓是这个领域的新人。”

的增长预测原文如此反映出对这些实质性变化的需求。

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设备和电动汽车电子设备驱动。“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。还有一些电力转换电子设备。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，还有另一个与实际的功率调节有关，就是在正确的时间以正确的方式给汽车的不同部分，包括发动机和所有其他电子设备，增加电流。”

结论
最终，对于半导体和汽车生态系统中的所有人来说，未来10年将是一段激动人心的旅程，将见证汽车行业如何变化，以及哪些公司将成为赢家，Mentor的Sinha说。

“当我们观察世界上发生的这种活动时，很明显，那些能够理解、掌握并正确重视不同学科之间的连接的公司——电气、电子和机械，从一开始就在一起，而不是继续采用汽车行业在过去一百年里基本上一直在做的孤立的方式这些公司更有机会获胜，无论是人类驾驶的电动汽车，还是4级或5级电动汽车，”他说。“这些不同领域之间的连接，包括我们如何设计这些车辆，如何生产这些车辆，以及如何消费这些车辆的体验——所有这些都必须以连接的方式，而不是以孤立的方式，成为讨论的一部分。”