電動汽車電池技術(shù)為可持續(xù)發(fā)展的未來注入動力

作者：ADI公司

? ? ? ? ?隨著電動汽車電池技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，我們很容易想象未來世界的交通：無論是私家車和SUV，還是卡車行業(yè)，都靠電池運(yùn)行。碳排放量將大大減少。但這僅僅是開始。電動汽車（EV）的舊電池如果加以再利用，將有望以更深刻的方式改變世界——把小型離網(wǎng)電源帶到世界的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)的醫(yī)療、教育和經(jīng)濟(jì)發(fā)展取決于能否獲得廉價的再生能源。

雖然美好未來的基礎(chǔ)工作已在奠定之中，但電池制造商仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——從降低電動汽車電池的高成本（使電動汽車能與內(nèi)燃機(jī)汽車競爭），到制造可再利用和可回收的電池（這樣當(dāng)電池不再能用于電動汽車時，還能在其他用途上創(chuàng)造價值）。

那么，如何才能讓基于電池動力的未來成為現(xiàn)實(shí)呢？答案不僅取決于消費(fèi)者、決策者和電力公司的支持，還取決于能否建立合適的合作伙伴關(guān)系并進(jìn)行正確的投資。

引領(lǐng)變革

電動汽車的潛力令人振奮，尤其是在環(huán)境影響方面。越來越多的企業(yè)將可持續(xù)發(fā)展作為重中之重。研究表明，注重生態(tài)的做法可以轉(zhuǎn)化為銷售的增長。電動汽車領(lǐng)域也是如此。2017年，全球電動汽車銷量突破100萬輛大關(guān)，緊接著在2018年，銷量突破200萬輛大關(guān)（210萬輛），增長了65%。但在2019年，受全球汽車銷量整體下滑的影響，銷量僅增長9%（為230萬輛）。盡管如此，預(yù)計到2030年，電動汽車的需求將增長十倍。全球幾乎每個地區(qū)都推出了更新的電動汽車普及激勵措施，且所有大型OEM都在著手實(shí)現(xiàn)車系的電氣化。全球都在加大對電氣化的投入。

但是，電動汽車行業(yè)仍然存在一個價格比較問題。預(yù)計到2030年，電動汽車電池的成本將持續(xù)下降，但占電動汽車成本三分之一以上的電池成本仍然是電動汽車實(shí)現(xiàn)與汽油動力汽車價格持平的主要障礙之一。

一種潛在的解決方案是采用高度精確且安全的電池管理系統(tǒng)（BMS），該系統(tǒng)可幫助汽車制造商和零件制造商彌合當(dāng)今的高成本電池與明天的更便宜電池之間的差距。

ADI公司汽車業(yè)務(wù)副總裁兼總經(jīng)理Patrick Morgan表示：“從消費(fèi)者角度看，存在幾個重大問題。更大的電池可以實(shí)現(xiàn)更長的行駛距離。問題是這會增加成本和重量。為了解決該問題，我們的方法是為電池管理系統(tǒng)制造極其高效且精確的電子器件，讓汽車可以從任何特定電池包中獲取最多可用能量?！?/p>

對于已經(jīng)開始重資進(jìn)行電氣化的卡車等行業(yè)，這種效率更為關(guān)鍵。McKinsey的一項(xiàng)研究表明，如果電池能夠滿足需求，那么到2030年，多達(dá)20%的中型卡車將是電動卡車。加州大學(xué)伯克利分校交通可持續(xù)發(fā)展研究中心聯(lián)席負(fù)責(zé)人Susan Shaheen表示：“電動車輛可能需要額外的停工時間以便充電，這會對業(yè)務(wù)績效產(chǎn)生不利影響，因?yàn)殡妱榆囕v處于無收入狀態(tài)的時間要長于汽油驅(qū)動的車輛。”

圖1. 2030年電動汽車在整體汽車銷量中的占比預(yù)計將達(dá)到約20%至25%

效率始于精整階段

電動汽車電池技術(shù)和電池制造與管理方面的最新創(chuàng)新可能會徹底改變商業(yè)和消費(fèi)場景。電池的生產(chǎn)和精整階段——電池化成和測試——對于確保產(chǎn)線效率至關(guān)重要。電池化成的全部目的就是確保所制造的電池單元在整個生命周期中擁有最大容量和最高可靠性。對于電池制造商和儀器供應(yīng)商而言，提高電動汽車生產(chǎn)的規(guī)模和效率是把握電動汽車市場機(jī)遇的關(guān)鍵。

“我們銷售的產(chǎn)品觸及電池整個生命周期的各個階段——從化成到運(yùn)行，再到梯次利用。在化成過程中，我們的產(chǎn)品控制著生長電池單元的精密設(shè)備。電池單元誕生的這一階段對于確定可用壽命至關(guān)重要?！盡organ解釋說。

改善電池工作條件

與油箱等單個儲能元件不同，電動汽車的電池組由數(shù)百或數(shù)千個協(xié)同工作的電芯組成。當(dāng)電源流入或流出電池組時，必須以有保證的精度對電池進(jìn)行精密管理，以確保即使在最惡劣的條件下，包括極端溫度和帶有電磁噪聲的環(huán)境中，電池也能在車輛的整個生命周期內(nèi)提供較大的可用容量。除此之外，為了確保安全性，電子產(chǎn)品必須從一開始就精心設(shè)計，以完全符合全球所有嚴(yán)格且不斷演變的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。這些標(biāo)準(zhǔn)并不僅限于ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)，還需要開發(fā)創(chuàng)新的電池功能性架構(gòu)。

由此出發(fā)，ADI公司的電動汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)不斷測量每個電池單元的電壓，這不僅對電池續(xù)航能力和性能有利，而且還能保證較大安全性。高度準(zhǔn)確的充電狀態(tài)測量使汽車制造商和零件制造商能夠安全地輸出最大功率。Morgan表示：“我們的產(chǎn)品可保證在汽車的整個生命周期中提供極高的精度，讓電池較大程度地快速安全充電和放電，并讓每次充電可實(shí)現(xiàn)的車輛續(xù)航里程較大化?！?/p>

更好的電池

改善電池續(xù)航里程和性能是全面采用電動汽車的關(guān)鍵所在。更智能、更精確的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)在幫助汽車制造商和零件制造商讓電池支持更長行駛里程。

圖2. 電動汽車電池的續(xù)航里程增加

隨著BMS性能不斷提高，電池將能更好地支持電動汽車行駛里程的延長和自動駕駛汽車的傳感器。

無線束設(shè)計消解系統(tǒng)復(fù)雜性

新的無線電池管理系統(tǒng)給行業(yè)帶來顛覆性的變化。ADI公司最近開發(fā)的無線電池管理系統(tǒng)（WBMS）以有線BMS的現(xiàn)有組件為基礎(chǔ)構(gòu)建，無需再使用線束將電芯連接在一起，可以節(jié)省工程設(shè)計和開發(fā)成本，并消除相關(guān)的機(jī)械性挑戰(zhàn)和線束帶來的復(fù)雜性。它還使得電池包設(shè)計具有高度模塊化和可伸縮特性，因此可以反復(fù)用在不同車型的設(shè)計中。此外，由于每個電池模塊都是無線的，因此可以在從電池化成開始，到存儲和組裝，再到在汽車中使用這整個過程中收集和存儲數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)計算，給出電池組的剩余電量。此舉降低了電池的成本，且使電池梯次利用（或二手利用）更加有效，例如用在儲能、回收或其他應(yīng)用中，從而降低制造商和車主的總成本，并限制對環(huán)境的影響。

換車：電池梯次利用

電動汽車的廣泛采用將對環(huán)境產(chǎn)生重大影響。根據(jù)ADI公司的數(shù)據(jù)，在2019年，裝備了該公司BMS技術(shù)的車輛因?yàn)椴捎昧顺茈姵匦阅軠y量且行駛時不需要內(nèi)燃機(jī)，每年減少了約7500萬噸二氧化碳排放，這相當(dāng)于8000萬英畝成熟森林的碳吸收能力。

不過，電動汽車電池技術(shù)還有更多利好：電池梯次利用。電動汽車的電池只要在整個生命周期中管理得當(dāng)，則耗損并不意味著報廢。拆下電動汽車電池以在儲能解決方案中再利用，可能是向離網(wǎng)社區(qū)供電的一個關(guān)鍵因素?？紤]到9.4億人（占世界人口的13%）沒有電力供應(yīng)，還有30億人（占世界人口的40%）沒有清潔的烹飪?nèi)剂希浑y想象對微型和離網(wǎng)電源解決方案的需求是多么巨大1。

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電力供應(yīng)將帶來許多改變生活的多米諾骨牌效應(yīng)。消除不安全烹飪?nèi)剂系氖褂每筛纳剖覂?nèi)空氣質(zhì)量，從而改善健康狀況。電力可以為照明設(shè)備供電，讓孩子們在天黑后可以學(xué)習(xí)。供應(yīng)清潔水和凈化廢水的設(shè)備也能運(yùn)轉(zhuǎn)。通過互聯(lián)網(wǎng)接入進(jìn)行數(shù)字通信成為可能。因此，電池梯次利用有可能激發(fā)人們曾經(jīng)認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展收益。

這使得ADI公司給電池管理系統(tǒng)帶來的精度成為汽車制造商的一個更重要考慮因素，而二次應(yīng)用的所有者（例如儲能系統(tǒng)制造商）將從ADI公司的無線技術(shù)中受益匪淺。該技術(shù)不僅支持OEM，還能幫助創(chuàng)造圍繞電池回收的全新行業(yè)和商業(yè)模式?！拔覀儾艅倓傞_始看到無線帶給車輛供應(yīng)鏈的好處?！盡organ解釋說。

圖3. ADI公司的無線技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車

常規(guī)發(fā)動機(jī)的智慧

二十年前，ADI公司首次面向汽車市場推出了精密功率和其他測量解決方案?？偛眉媸紫瘓?zhí)行官Vincent Roche并未遺忘過去，數(shù)十年在常規(guī)內(nèi)燃機(jī)車輛領(lǐng)域創(chuàng)建功能的經(jīng)驗(yàn)，對公司成功開發(fā)電動汽車電池技術(shù)起著重要作用。Roche表示：“我們將硅解決方案與日益復(fù)雜的數(shù)學(xué)相結(jié)合，以便能夠理解現(xiàn)實(shí)世界，包括電池管理系統(tǒng)，其變化之深刻每隔幾年就會增加幾個數(shù)量級。”

1資料來源：網(wǎng)址：Ritchie， H. Roser， M. Access to Energy， ourworldindata.org， 2020年3月7日訪問。