动力锂电池设计难在哪？

以前汽车的电池总是当做即插即用部件，但在电动汽车上，电池的角色发生了改变。现如今，电池是电动汽车差异化关键，也是电动汽车中最重，同时也是最贵重的部件。

传统汽车中的蓄电池，原本是一个相当简单的零部件。但在电动汽车中，动力锂电池组中密布各种传感器，以监测电池发热状况与老化效应，以及动态热负荷与自愈效应。最重要的，电动汽车的动力锂电池必须在整车架构层面进行设计开发，因为电池的运行状况将影响到整个系统，而且动力锂电池模块的设计、组装、维护还面对诸多困难。

“每个人都清楚，电池是电动汽车中最重要，也最有难度的部件。电池决定了一部电动汽车的重要参数，比如续航里程、成本、安全，以及充电的便宜性等，”新思科技（Synopsys）研发工程师布莱恩·凯利（BryanKelly）说，“续航里程短、成本高、电池组易出毛病，以及充电设施分布不均衡，是当前纯电动汽车面对的重要困难。电池供应了能量，但它要被良好地管理与控制，这样电动汽车其他零部件才能正常运作。”

这就是系统开发思维能发挥用途的地方了。“压缩机、水泵、马达、辅助电源模块，以及车载充电模块，电动汽车要多种功率电子器件，”凯利说道，“而且，汽车行驶时，上述模块中的功率半导体开开关关，（是耗电的大头），续航问题总会存在。所以电动汽车中总倾向于用大电池，高功率的大电池要有相应的功率器件来传输能量。这些大功率器件的开关频率要更高，因为功率器件的开关速度越快，传输电能时浪费的越少，电动汽车围绕电池进行系统设计的一切都是为了能效，提高能效是底线。”

自动驾驶的引入将会大幅新增开发难度。“（引入自动驾驶）必须要更早在全系统层面进行开发，并研究电池在系统中的用途，”新思科技应用工程经理吉姆·巴顿（Jimpatton）说道，“这要更多的仿真，因为自动驾驶功能非常耗电。（实现自动驾驶功能）开发人员要新增一堆摄像头，若干影像处理模块，以及很多别的元器件，这些元器件都会新增耗电。自动驾驶功能是电动汽车中另一大耗电模块，开发人员要认真计算仔细仿真（以满足系统续航要求）。”

上述所有功能的实现都要保证安全。“开发人员可以自动插入开路或短路的电路，进行大量故障仿真，以应对各种意外状况。比如，'假如交流发电机坏了会怎么样？我还能把这辆出故障的自动驾驶汽车开到路边吗？'开发人员要能在安全的前提下处理这种故障，并制定相应的策略以应对不同故障。开发人员要对最坏状况有应对方法，当最坏状况发生，能够把电源从非性命攸关的模块切断，而用以维持刹车等关键部件。”巴顿说道。

充电的考虑

充电速度也是电动汽车差异化的重要体现。“十年前，我刚开始在这个领域工作时，电池组的成本超过1000美元/千瓦时，”西门子Mentor事业部（Mentor,aSiemensBusiness）新移动解决方法机械分析部总监谱尼特·辛哈（puneetSinha）说道，“现在，特斯拉Model3或者雪佛兰的电池成本，已经接近150美元/千瓦时，电池成本下降非常快。”

伴随电池价格的下降，横在电动汽车面前的重要障碍变成了如何提高充电速度。充电速度要求改变了电池的基础设计。

“快充技术的发展，要求电池芯必须能在使用寿命缩减不大的前提下，承受快充条件，而且不能有隐患，”辛哈说道，“电池芯能否耐受快充条件，重要取决于电化学材料，但从电池组层面来看，电极如何设计也会影响到电池组是否耐受快充。这些研究是非常重要的，因为短时间把150到200千瓦时的能量充入电池很有挑战，而且充电时会出现很多热量，所以行业内公司在研究如何在充电时冷却电池的技术。”

对这些问题，德拉科汽车（DrakoMotors）首席执行官迪恩·德拉科（DeanDrako）颇有同感。德拉科汽车为自己生产的GTE电动超跑设计开发了电池。

GTE的电池组支持兆瓦（MW）级功率输出，GTE要实现创纪录的性能，电路的承载能力将受到极致挑战，只有匹配相应的冷却系统，才能实现强劲而稳定的功率输出。“GTE电池具备90千瓦时的容量，峰值电流可达2200安培，支持1800安培稳定电流输出，精心设计的电池组可以为GTE四个电动机持续供应900千瓦的驱动力。电池芯周围密布冷却管，大量冷却管纵横交错，构成大规模并行冷却系统，可以将每一个电池芯的热量快速散发出去。”德拉科汽车网站上这样描述道。

迪恩表示，德拉科公司在电池组设计开发上非常努力，锂离子电池设计本身也成为整车架构设计的一部分。“电动汽车电源设计通常考虑续航或功能优先，但我们选择了一条与众不同的路线，因为我们瞄准的是赛车市场。我们造出的汽车要能在赛道上赢得比赛，所以对电源及设计要求都非常高，而且要配备强大的冷却系统，以防止电池过热。电池在充放电时，总有部分能量以热的形式消耗掉，这就是电池的化学特性。”

电池与电池组设计的重要挑战是如何适应宽温度范围工作，电池与电池组本身工作温度范围很窄，但汽车工作环境千差万别，要电池组能够适应宽温度范围与其他严苛的外部环境。电池组中的一个电池芯因过热发生问题，很可能会引发整个电池组的链式反应。

“这就是为何人们喜欢用常规标准电池芯，因为电池芯制造商已经对电池芯做了非常严格的测试，采取多种措施以确保电池芯不会爆炸，”迪恩说道，“到电池组开发阶段，要的就是在电池组内放置足够数量的温度传感器、电压传感器、电流传感器，时刻监控所有状况。理论上，每一个电池都会配相应的保险丝，通过微控制器来控制电池组的状态并决定是否熔断保险丝。假如出现过热，要有相应的液冷设备来确保电池组温度能降下来。假如不考虑系统的可靠性、安全、健壮性、功率输出，设计出的电池组将危如累卵。”

Mentor的辛哈同意德拉科的观点，电动汽车充放电不是把车放到有空调的车库去充电那么简单。“我们的很多客户意识到了这些问题。在充放电系统中，电池芯当然很重要，但它只是整个问题的一小部分。假如对电池组的热管理处理没做好，即便选用全球最好的电池芯，也不能保证系统在充放电时的安全。在实现直流快充时，要考虑的因素很多，开发人员要保证系统能既做到快速充电，又不浪费能源。”

另外，所有上述问题，假如发生，都将影响到整车架构，辛哈说道。“很少有人能在纸上列出，或者说出‘假如这个问题发生了，我将这样应对；假如那个问题发生了，我将那样应对’。应对复杂系统设计中数百条问题的排列组合，是专用软件发挥用途的时候，利用软件，开发人员能在系统开始设计时就能厘清有什么技术选项，怎么才能成本更优化，以及‘假如我这样做，将会得到这种结果；假如我那样做，将会得到那种结果’。根据上述分析，开发团队很容易就做出正确决定。这是我们和很多设计软件客户交流时得到的反馈。所以，应用模式决定了采用哪种整车架构。”

每个环节都很重要，它们还要上下衔接。“内燃机车与电动汽车是完全不同的两种开发思路，”辛哈说道，“内燃机技术非常成熟，开发人员只要选择合适的现成技术，将其融入系统中即可，从车身、座位、到座舱技术，一切都按部就班、有章可循，但电动汽车还不是这样。”

数据在哪里？

在半导体设计的某些领域，存在数据过多的现象，但在电池设计中，开发人员往往面对数据偏少的问题。

“我已经在这个领域有几年，一门心思投入到抓取电池数据工作中，也与客户或制造商一起合作来收集数据，但电池数据真的很难抓取。”新思科技的凯利说道，“（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，开发人员可以用最小量的数据，来推测系统的性能。”

利用工具生成的可用电池组模型，可以嵌入系统中进行系统级仿真，通过设置充电初始状态、电池组构成参数等条件，来计算系统在典型欧洲工况等场景下的结果。开发团队可以直观地查看各电池芯电压与电流的变化，能量消耗，充电状态，甚至能源效率与续航里程。

新思科技的巴顿表示，这些模型是电动汽车设计的关键。“很明显，电池是电动汽车的基础，可能是最有挑战的零部件之一，也是开发人员承担压力之所在，因为电池系统是区分不同电动汽车的根本。车身重量与整车电池能量是一对难平衡的参数，新增电池数量可以新增整车电池能量，但同时也新增了车身重量，从而新增单位里程耗电量。所以，每一次新增电池容量都要同时考虑新增的车重。”

电池的化学特性也应考虑。“电池芯材料有很多种组合，加工成电池芯时也有很多种布局方法，不过我们有时忽略了电池芯材料在化学特性上的难点。”巴顿说道，“功率电子就是这样，连接电池和电动机以及车上所有要供电的