電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和電池容量

廣西貴港，一輛行進(jìn)中的電動(dòng)汽車自燃。同日，武漢某小區(qū)停車場(chǎng)內(nèi)一輛電動(dòng)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(dòng)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(duì)于一臺(tái)純電汽車，電池容量好比油箱容量。電動(dòng)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(shuō)，未來(lái)電動(dòng)汽車的成敗將取決于，電動(dòng)汽車的使用場(chǎng)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(guò)創(chuàng)新電池材料來(lái)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(dòng)的馬達(dá)取代內(nèi)燃機(jī)只是復(fù)雜技術(shù)轉(zhuǎn)變的第一步。然而，增加電動(dòng)汽車單次充電的行駛里程，并減少電池充電的時(shí)間，是一個(gè)更加棘手的挑戰(zhàn)。電池容量一直以每年5%~6%的速度增長(zhǎng)。更密集的存儲(chǔ)和/或更多的電池將允許車輛行駛更長(zhǎng)時(shí)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(wèn)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(shí)，也讓它們能實(shí)現(xiàn)快速充電。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，英飛凌高級(jí)工程師Felix Weidner給出的方法是，在電池陽(yáng)極中加入了少量硅（大約5%~10%）。在充電過(guò)程中，將鋰離子泵入石墨烯中，一個(gè)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(diǎn)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(lái)增加密度和降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。但是，由于戰(zhàn)爭(zhēng)和地表礦產(chǎn)資源豐度偏低造成的短缺，推高了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的價(jià)格，這促使我們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)尋找更豐富、更容易使用的新材料。

電動(dòng)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(jiàn)、山地爬坡過(guò)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(shí)間的推移，最大續(xù)航里程會(huì)減少，類似于手機(jī)電池隨著時(shí)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(gòu)買新手機(jī)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(dòng)駕駛和ADAS高級(jí)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?yàn)楦鼡Q電池的成本讓一些人不敢使用這項(xiàng)技術(shù)?！薄跋到y(tǒng)消耗的能量越少，我們驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的效率就越高。我們可以使用復(fù)合材料來(lái)幫助減輕重量，但這十分有限。下一個(gè)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(guò)關(guān)閉這些設(shè)備并將它們置于低功耗模式來(lái)控制的?！?/p>

我們可以看出，電池管理的重要性。這里有兩個(gè)常用指標(biāo)：一個(gè)是荷電狀態(tài)，即在任何給定時(shí)刻電池中有多少能量。第二個(gè)是健康狀態(tài)，即可用電池容量的百分比。電池管理比聽(tīng)起來(lái)要難得多。如今，它涉及加熱、冷卻和確定延長(zhǎng)電池壽命的最佳充電比例。但這僅僅是個(gè)開(kāi)始。在未來(lái)，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(jì)也會(huì)有壞電池回收利用的變通辦法。電池的健康狀況會(huì)隨著時(shí)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(shí)，電池單元內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化。電池沒(méi)電的時(shí)候更容易充電，但臨近充滿時(shí)候充電更難了，相對(duì)空電時(shí)，所需充電時(shí)間加長(zhǎng)了；由于電池內(nèi)阻的存在，導(dǎo)致散熱問(wèn)題的出現(xiàn)，此時(shí)，可以通過(guò)BMS根據(jù)電池單元的溫度降低電荷?！?/p>

因電池過(guò)熱會(huì)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(dòng)汽車合作的公司特別關(guān)注電池內(nèi)部的熱問(wèn)題，這是引入新材料的挑戰(zhàn)之一。所有產(chǎn)品都需要長(zhǎng)期在極端條件下進(jìn)行測(cè)試，就汽車應(yīng)用而言，可能需要長(zhǎng)達(dá)五年的時(shí)間。所以我們需要監(jiān)控電池，判斷并評(píng)估單個(gè)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(gè)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(huì)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(shí)加熱電池，這樣它們才能以最高效率運(yùn)行。通過(guò)分配電池，我們可以在不同的地方加熱它們。

電動(dòng)汽車的電池中，不是所有的電池都適合每一項(xiàng)任務(wù)。比如，車輛中的一些系統(tǒng)總是開(kāi)著的。其他的可能只是偶爾使用。此外，啟動(dòng)汽車和調(diào)用攝像頭的反應(yīng)時(shí)間必須瞬間完成的，而啟動(dòng)信息娛樂(lè)系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生一兩秒延遲通常會(huì)被忽略。這是否會(huì)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(diǎn)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(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)。人們對(duì)電動(dòng)汽車需求，將更關(guān)注智能、高效的電子產(chǎn)品。相對(duì)與傳統(tǒng)的汽車芯片而言，電動(dòng)汽車芯片有些是需要定制的。即便電池變得更先進(jìn)，但仍然會(huì)有是幾千個(gè)不同的電子子系統(tǒng)和芯片，它們都將被連接起來(lái)。這絕對(duì)會(huì)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(gè)離散集成電路到單片系統(tǒng)集成電路的轉(zhuǎn)變。我們?cè)赟OC中關(guān)閉電源的方式是使用時(shí)鐘門控，并在需要時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉。對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，這可能很重要，但從汽車公司的角度來(lái)看，有很多ECU都在執(zhí)行獨(dú)立的任務(wù)，它們不可能打開(kāi)或關(guān)閉設(shè)備。西門子工程師Fritz舉例說(shuō)：“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(gè)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(jìn)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(gè)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(duì)續(xù)航里程和可持續(xù)性都有影響，因?yàn)橐淮纬錆M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(jì)正變得越來(lái)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(wàn)公里，而且既安全又相對(duì)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(duì)車輛內(nèi)部的電力傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的重新思考。

審核編輯：湯梓紅