以前汽車的電池總是當(dāng)做即插即用部件，但在電動(dòng)汽車上，電池的角色發(fā)生了改變?，F(xiàn)如今，電池是電動(dòng)汽車差異化關(guān)鍵，也是電動(dòng)汽車中最重，同時(shí)也是最貴重的部件。

傳統(tǒng)汽車中的蓄電池，原本是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的零部件。但在電動(dòng)汽車中，動(dòng)力鋰電池組中密布各種傳感器，以監(jiān)測(cè)電池發(fā)熱狀況與老化效應(yīng)，以及動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷與自愈效應(yīng)。最重要的，電動(dòng)汽車的動(dòng)力鋰電池必須在整車架構(gòu)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，因?yàn)殡姵氐倪\(yùn)行狀況將影響到整個(gè)系統(tǒng)，而且動(dòng)力鋰電池模塊的設(shè)計(jì)、組裝、維護(hù)還面對(duì)諸多困難。

“每個(gè)人都清楚，電池是電動(dòng)汽車中最重要，也最有難度的部件。電池決定了一部電動(dòng)汽車的重要參數(shù)，比如續(xù)航里程、成本、安全，以及充電的便宜性等，”新思科技（Synopsys）研發(fā)工程師布萊恩·凱利（BryanKelly）說，“續(xù)航里程短、成本高、電池組易出毛病，以及充電設(shè)施分布不均衡，是當(dāng)前純電動(dòng)汽車面對(duì)的重要困難。電池供應(yīng)了能量，但它要被良好地管理與控制，這樣電動(dòng)汽車其他零部件才能正常運(yùn)作。”

這就是系統(tǒng)開發(fā)思維能發(fā)揮用途的地方了?！皦嚎s機(jī)、水泵、馬達(dá)、輔助電源模塊，以及車載充電模塊，電動(dòng)汽車要多種功率電子器件，”凱利說道，“而且，汽車行駛時(shí)，上述模塊中的功率半導(dǎo)體開開關(guān)關(guān)，（是耗電的大頭），續(xù)航問題總會(huì)存在。所以電動(dòng)汽車中總傾向于用大電池，高功率的大電池要有相應(yīng)的功率器件來傳輸能量。這些大功率器件的開關(guān)頻率要更高，因?yàn)楣β势骷拈_關(guān)速度越快，傳輸電能時(shí)浪費(fèi)的越少，電動(dòng)汽車圍繞電池進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一切都是為了能效，提高能效是底線?！?/p>

自動(dòng)駕駛的引入將會(huì)大幅新增開發(fā)難度?！埃ㄒ胱詣?dòng)駕駛）必須要更早在全系統(tǒng)層面進(jìn)行開發(fā)，并研究電池在系統(tǒng)中的用途，”新思科技應(yīng)用工程經(jīng)理吉姆·巴頓（Jimpatton）說道，“這要更多的仿真，因?yàn)樽詣?dòng)駕駛功能非常耗電。（實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能）開發(fā)人員要新增一堆攝像頭，若干影像處理模塊，以及很多別的元器件，這些元器件都會(huì)新增耗電。自動(dòng)駕駛功能是電動(dòng)汽車中另一大耗電模塊，開發(fā)人員要認(rèn)真計(jì)算仔細(xì)仿真（以滿足系統(tǒng)續(xù)航要求）?！?/p>

上述所有功能的實(shí)現(xiàn)都要保證安全?！伴_發(fā)人員可以自動(dòng)插入開路或短路的電路，進(jìn)行大量故障仿真，以應(yīng)對(duì)各種意外狀況。比如，'假如交流發(fā)電機(jī)壞了會(huì)怎么樣？我還能把這輛出故障的自動(dòng)駕駛汽車開到路邊嗎？'開發(fā)人員要能在安全的前提下處理這種故障，并制定相應(yīng)的策略以應(yīng)對(duì)不同故障。開發(fā)人員要對(duì)最壞狀況有應(yīng)對(duì)方法，當(dāng)最壞狀況發(fā)生，能夠把電源從非性命攸關(guān)的模塊切斷，而用以維持剎車等關(guān)鍵部件。”巴頓說道。

充電的考慮

充電速度也是電動(dòng)汽車差異化的重要體現(xiàn)?！笆昵?，我剛開始在這個(gè)領(lǐng)域工作時(shí)，電池組的成本超過1000美元/千瓦時(shí)，”西門子Mentor事業(yè)部（Mentor,aSiemensBusiness）新移動(dòng)解決方法機(jī)械分析部總監(jiān)譜尼特·辛哈（puneetSinha）說道，“現(xiàn)在，特斯拉Model3或者雪佛蘭的電池成本，已經(jīng)接近150美元/千瓦時(shí)，電池成本下降非常快。”

伴隨電池價(jià)格的下降，橫在電動(dòng)汽車面前的重要障礙變成了如何提高充電速度。充電速度要求改變了電池的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

“快充技術(shù)的發(fā)展，要求電池芯必須能在使用壽命縮減不大的前提下，承受快充條件，而且不能有隱患，”辛哈說道，“電池芯能否耐受快充條件，重要取決于電化學(xué)材料，但從電池組層面來看，電極如何設(shè)計(jì)也會(huì)影響到電池組是否耐受快充。這些研究是非常重要的，因?yàn)槎虝r(shí)間把150到200千瓦時(shí)的能量充入電池很有挑戰(zhàn)，而且充電時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多熱量，所以行業(yè)內(nèi)公司在研究如何在充電時(shí)冷卻電池的技術(shù)?！?/p>

對(duì)這些問題，德拉科汽車（DrakoMotors）首席執(zhí)行官迪恩·德拉科（DeanDrako）頗有同感。德拉科汽車為自己生產(chǎn)的GTE電動(dòng)超跑設(shè)計(jì)開發(fā)了電池。

GTE的電池組支持兆瓦（MW）級(jí)功率輸出，GTE要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的性能，電路的承載能力將受到極致挑戰(zhàn)，只有匹配相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁而穩(wěn)定的功率輸出?！癎TE電池具備90千瓦時(shí)的容量，峰值電流可達(dá)2200安培，支持1800安培穩(wěn)定電流輸出，精心設(shè)計(jì)的電池組可以為GTE四個(gè)電動(dòng)機(jī)持續(xù)供應(yīng)900千瓦的驅(qū)動(dòng)力。電池芯周圍密布冷卻管，大量冷卻管縱橫交錯(cuò)，構(gòu)成大規(guī)模并行冷卻系統(tǒng)，可以將每一個(gè)電池芯的熱量快速散發(fā)出去?！钡吕破嚲W(wǎng)站上這樣描述道。

迪恩表示，德拉科公司在電池組設(shè)計(jì)開發(fā)上非常努力，鋰離子電池設(shè)計(jì)本身也成為整車架構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分?！半妱?dòng)汽車電源設(shè)計(jì)通?？紤]續(xù)航或功能優(yōu)先，但我們選擇了一條與眾不同的路線，因?yàn)槲覀兠闇?zhǔn)的是賽車市場(chǎng)。我們?cè)斐龅钠囈茉谫惖郎馅A得比賽，所以對(duì)電源及設(shè)計(jì)要求都非常高，而且要配備強(qiáng)大的冷卻系統(tǒng)，以防止電池過熱。電池在充放電時(shí)，總有部分能量以熱的形式消耗掉，這就是電池的化學(xué)特性?！?/p>

電池與電池組設(shè)計(jì)的重要挑戰(zhàn)是如何適應(yīng)寬溫度范圍工作，電池與電池組本身工作溫度范圍很窄，但汽車工作環(huán)境千差萬(wàn)別，要電池組能夠適應(yīng)寬溫度范圍與其他嚴(yán)苛的外部環(huán)境。電池組中的一個(gè)電池芯因過熱發(fā)生問題，很可能會(huì)引發(fā)整個(gè)電池組的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

“這就是為何人們喜歡用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電池芯，因?yàn)殡姵匦局圃焐桃呀?jīng)對(duì)電池芯做了非常嚴(yán)格的測(cè)試，采取多種措施以確保電池芯不會(huì)爆炸，”迪恩說道，“到電池組開發(fā)階段，要的就是在電池組內(nèi)放置足夠數(shù)量的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，時(shí)刻監(jiān)控所有狀況。理論上，每一個(gè)電池都會(huì)配相應(yīng)的保險(xiǎn)絲，通過微控制器來控制電池組的狀態(tài)并決定是否熔斷保險(xiǎn)絲。假如出現(xiàn)過熱，要有相應(yīng)的液冷設(shè)備來確保電池組溫度能降下來。假如不考慮系統(tǒng)的可靠性、安全、健壯性、功率輸出，設(shè)計(jì)出的電池組將危如累卵?！?/p>

Mentor的辛哈同意德拉科的觀點(diǎn)，電動(dòng)汽車充放電不是把車放到有空調(diào)的車庫(kù)去充電那么簡(jiǎn)單。“我們的很多客戶意識(shí)到了這些問題。在充放電系統(tǒng)中，電池芯當(dāng)然很重要，但它只是整個(gè)問題的一小部分。假如對(duì)電池組的熱管理處理沒做好，即便選用全球最好的電池芯，也不能保證系統(tǒng)在充放電時(shí)的安全。在實(shí)現(xiàn)直流快充時(shí)，要考慮的因素很多，開發(fā)人員要保證系統(tǒng)能既做到快速充電，又不浪費(fèi)能源。”

另外，所有上述問題，假如發(fā)生，都將影響到整車架構(gòu)，辛哈說道?！昂苌儆腥四茉诩埳狭谐?，或者說出‘假如這個(gè)問題發(fā)生了，我將這樣應(yīng)對(duì)；假如那個(gè)問題發(fā)生了，我將那樣應(yīng)對(duì)’。應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)百條問題的排列組合，是專用軟件發(fā)揮用途的時(shí)候，利用軟件，開發(fā)人員能在系統(tǒng)開始設(shè)計(jì)時(shí)就能厘清有什么技術(shù)選項(xiàng)，怎么才能成本更優(yōu)化，以及‘假如我這樣做，將會(huì)得到這種結(jié)果；假如我那樣做，將會(huì)得到那種結(jié)果’。根據(jù)上述分析，開發(fā)團(tuán)隊(duì)很容易就做出正確決定。這是我們和很多設(shè)計(jì)軟件客戶交流時(shí)得到的反饋。所以，應(yīng)用模式?jīng)Q定了采用哪種整車架構(gòu)?！?/p>

每個(gè)環(huán)節(jié)都很重要，它們還要上下銜接?！皟?nèi)燃機(jī)車與電動(dòng)汽車是完全不同的兩種開發(fā)思路，”辛哈說道，“內(nèi)燃機(jī)技術(shù)非常成熟，開發(fā)人員只要選擇合適的現(xiàn)成技術(shù)，將其融入系統(tǒng)中即可，從車身、座位、到座艙技術(shù)，一切都按部就班、有章可循，但電動(dòng)汽車還不是這樣?！?/p>

數(shù)據(jù)在哪里？

在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的某些領(lǐng)域，存在數(shù)據(jù)過多的現(xiàn)象，但在電池設(shè)計(jì)中，開發(fā)人員往往面對(duì)數(shù)據(jù)偏少的問題。

“我已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域有幾年，一門心思投入到抓取電池?cái)?shù)據(jù)工作中，也與客戶或制造商一起合作來收集數(shù)據(jù)，但電池?cái)?shù)據(jù)真的很難抓取。”新思科技的凱利說道，“（新思科技的工具）不是直接的人工智能，但借助新思科技工具，開發(fā)人員可以用最小量的數(shù)據(jù)，來推測(cè)系統(tǒng)的性能?！?/p>

利用工具生成的可用電池組模型，可以嵌入系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，通過設(shè)置充電初始狀態(tài)、電池組構(gòu)成參數(shù)等條件，來計(jì)算系統(tǒng)在典型歐洲工況等場(chǎng)景下的結(jié)果。開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以直觀地查看各電池芯電壓與電流的變化，能量消耗，充電狀態(tài)，甚至能源效率與續(xù)航里程。

新思科技的巴頓表示，這些模型是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?！昂苊黠@，電池是電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)，可能是最有挑戰(zhàn)的零部件之一，也是開發(fā)人員承擔(dān)壓力之所在，因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)是區(qū)分不同電動(dòng)汽車的根本。車身重量與整車電池能量是一對(duì)難平衡的參數(shù)，新增電池?cái)?shù)量可以新增整車電池能量，但同時(shí)也新增了車身重量，從而新增單位里程耗電量。所以，每一次新增電池容量都要同時(shí)考慮新增的車重?！?/p>

電池的化學(xué)特性也應(yīng)考慮。“電池芯材料有很多種組合，加工成電池芯時(shí)也有很多種布局方法，不過我們有時(shí)忽略了電池芯材料在化學(xué)特性上的難點(diǎn)。”巴頓說道，“功率電子就是這樣，連接電池和電動(dòng)機(jī)以及車上所有要供電的