電動汽車的續(xù)航里程和電池容量

廣西貴港，一輛行進中的電動汽車自燃。同日，武漢某小區(qū)停車場內(nèi)一輛電動汽車充電自燃，引發(fā)周邊三輛汽車燃燒，事故目前正在調(diào)查中。電動汽車發(fā)生自燃的因素有很多，除了天氣以外，電池自身和電池管理系統(tǒng)BMS非常重要。

對于一臺純電汽車，電池容量好比油箱容量。電動汽車的續(xù)航能力，取決于電池的電容量和全車的耗電量。也可以說，未來電動汽車的成敗將取決于，電動汽車的使用場景、方式，以及電池材料、能量密度和復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)。

為了提高汽車的續(xù)航里程，我們可以通過創(chuàng)新電池材料來提高電池能量密度和不斷優(yōu)化電池管理系統(tǒng)BMS降低汽車電耗入手。用電池驅(qū)動的馬達取代內(nèi)燃機只是復(fù)雜技術(shù)轉(zhuǎn)變的第一步。然而，增加電動汽車單次充電的行駛里程，并減少電池充電的時間，是一個更加棘手的挑戰(zhàn)。電池容量一直以每年5%~6%的速度增長。更密集的存儲和/或更多的電池將允許車輛行駛更長時間，加速更快，但獲得制造電池所需的材料受到地緣政治和環(huán)境問題的限制，所以許多替代方案正在考慮中。

如何讓電池在保持更多電量的同時，也讓它們能實現(xiàn)快速充電。對于這個問題，英飛凌高級工程師Felix Weidner給出的方法是，在電池陽極中加入了少量硅（大約5%~10%）。在充電過程中，將鋰離子泵入石墨烯中，一個鋰離子需要相當(dāng)數(shù)量的石墨烯。由于硅可以捕獲更多的鋰離子，由此，將需要更多的硅，并得到更多的能量密度，但這一方法的缺點是，材料性質(zhì)不夠穩(wěn)定，且易膨脹。另有兩種元素——鎳和鈷，今已被用來增加密度和降低火災(zāi)風(fēng)險。但是，由于戰(zhàn)爭和地表礦產(chǎn)資源豐度偏低造成的短缺，推高了電動汽車動力電池的價格，這促使我們在全球范圍內(nèi)尋找更豐富、更容易使用的新材料。

電動汽車的續(xù)航里程，與車輛使用環(huán)境息息相關(guān)。在低溫環(huán)境下，車輛行駛里程減少一半很常見、山地爬坡過多也導(dǎo)致電耗增加。由此，電池充電的頻率越高，電池的壽命也越短。這通常表現(xiàn)為隨著時間的推移，最大續(xù)航里程會減少，類似于手機電池隨著時間的推移而退化。但更換汽車電池需要一次性完成，以保持電池模塊之間的平衡，它比購買新手機要昂貴很多。這迫使汽車制造商要像芯片制造商那樣思考，即電力預(yù)算不變的前提下，新電子產(chǎn)品必須符合該預(yù)算。正如，西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司(Siemens Digital Industries Software)自動駕駛和ADAS高級主管大衛(wèi)?弗里茨(David Fritz)表示:“我們的目標(biāo)是盡量減少充電周期，因為更換電池的成本讓一些人不敢使用這項技術(shù)。”“系統(tǒng)消耗的能量越少，我們驅(qū)動馬達的效率就越高。我們可以使用復(fù)合材料來幫助減輕重量，但這十分有限。下一個重大挑戰(zhàn)是了解所有電子產(chǎn)品的功能以及它們的消耗量。這是我們可以通過關(guān)閉這些設(shè)備并將它們置于低功耗模式來控制的?！?/p>

我們可以看出，電池管理的重要性。這里有兩個常用指標(biāo)：一個是荷電狀態(tài)，即在任何給定時刻電池中有多少能量。第二個是健康狀態(tài)，即可用電池容量的百分比。電池管理比聽起來要難得多。如今，它涉及加熱、冷卻和確定延長電池壽命的最佳充電比例。但這僅僅是個開始。在未來，電池結(jié)構(gòu)有望變得更加復(fù)雜，可能涉及到用于不同任務(wù)的專用電池和新材料。預(yù)計也會有壞電池回收利用的變通辦法。電池的健康狀況會隨著時間的推移而改變。因素之一是，當(dāng)電池增加接近最大容量的電荷時，電池單元內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化。電池沒電的時候更容易充電，但臨近充滿時候充電更難了，相對空電時，所需充電時間加長了；由于電池內(nèi)阻的存在，導(dǎo)致散熱問題的出現(xiàn)，此時，可以通過BMS根據(jù)電池單元的溫度降低電荷。”

因電池過熱會引發(fā)火災(zāi)，所以在電池安全方面，電池單元健康是最重要的指標(biāo)之一。與電動汽車合作的公司特別關(guān)注電池內(nèi)部的熱問題，這是引入新材料的挑戰(zhàn)之一。所有產(chǎn)品都需要長期在極端條件下進行測試，就汽車應(yīng)用而言，可能需要長達五年的時間。所以我們需要監(jiān)控電池，判斷并評估單個電池的健康狀態(tài)。而這，我們需要由電源管理芯片等組成的電池管理系統(tǒng)。目前，我們將所有的電池裝在汽車底部的一個電池組中，除了傳統(tǒng)的金屬材料導(dǎo)熱方式，還有一種使用導(dǎo)電流體的液體冷卻。如果我們把電池分布在不同地方，這樣集中在同一區(qū)域的電池會少很多，便于熱量管理。另一方面，當(dāng)我們需要在室外溫度較低時加熱電池，這樣它們才能以最高效率運行。通過分配電池，我們可以在不同的地方加熱它們。

電動汽車的電池中，不是所有的電池都適合每一項任務(wù)。比如，車輛中的一些系統(tǒng)總是開著的。其他的可能只是偶爾使用。此外，啟動汽車和調(diào)用攝像頭的反應(yīng)時間必須瞬間完成的，而啟動信息娛樂系統(tǒng)時產(chǎn)生一兩秒延遲通常會被忽略。這是否會發(fā)展成一種分布式電池架構(gòu)，使用不同類型的電池，或者更好地控制現(xiàn)有的電池，還有待觀察。但在這一點上，所有的選擇都在探索中，包括可能使用氫燃料電池作為備用。

另外，我們需要提高車輛內(nèi)部芯片和系統(tǒng)的效率，并進行低功耗的設(shè)計。人們對電動汽車需求，將更關(guān)注智能、高效的電子產(chǎn)品。相對與傳統(tǒng)的汽車芯片而言，電動汽車芯片有些是需要定制的。即便電池變得更先進，但仍然會有是幾千個不同的電子子系統(tǒng)和芯片，它們都將被連接起來。這絕對會消耗電力供應(yīng)。與所有復(fù)雜的電子設(shè)備一樣，最大的挑戰(zhàn)之一是弄清楚如何劃分和優(yōu)先考慮電力。這些變化，好比從多個離散集成電路到單片系統(tǒng)集成電路的轉(zhuǎn)變。我們在SOC中關(guān)閉電源的方式是使用時鐘門控，并在需要時打開或關(guān)閉。對于汽車來說，這可能很重要，但從汽車公司的角度來看，有很多ECU都在執(zhí)行獨立的任務(wù)，它們不可能打開或關(guān)閉設(shè)備。西門子工程師Fritz舉例說：“我們正在與7家不同的oem合作，每一家都采取了非常不同的方法。其中一個方案需要4千瓦。我們能夠模擬相同的解決方案，基于最先進的技術(shù)，而不是一些現(xiàn)成的、耗電大的x86系統(tǒng)，我們能夠?qū)⑵浣档偷?0瓦。整個系統(tǒng)，一旦你加上所有的外圍設(shè)備，是50瓦，而不是4千瓦。這對續(xù)航里程和可持續(xù)性都有影響，因為一次充滿電可以節(jié)省約7磅二氧化碳。”

最后，電池化學(xué)、電池管理和電池設(shè)計正變得越來越復(fù)雜。電池的終極目標(biāo)仍然是能夠快速充電，持續(xù)行駛數(shù)十萬公里，而且既安全又相對便宜。與大多數(shù)復(fù)雜的電子設(shè)備一樣，這需要權(quán)衡利弊，需要一些復(fù)雜的架構(gòu)，還需要對車輛內(nèi)部的電力傳輸和存儲系統(tǒng)進行不斷的重新思考。

審核編輯：湯梓紅