電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化以及它們獨(dú)特的測(cè)試挑戰(zhàn)和解決方案,正在驅(qū)動(dòng)整個(gè)汽車行業(yè)新一輪革命。本系列文章的討論順序是電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化,智能化雖然放在最后但依然同樣重要,例如自動(dòng)駕駛。探討這三個(gè)趨勢(shì),從第一個(gè)驅(qū)動(dòng)力開始——電動(dòng)化和電池。
圍繞電動(dòng)汽車和電池的最大問(wèn)題之一,是如何提高單次充電的容量和續(xù)航里程。而圍繞續(xù)航能力有一些關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo),同樣圍繞電池的效率、加速和快速充電能力也有一些關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。我們今天看到的趨勢(shì)是鋰離子電池,但在未來(lái),我們將看到向固態(tài)的轉(zhuǎn)變。這主要是由固態(tài)電池帶來(lái)的重量減輕和密度增加所推動(dòng)的,而重量是影響車輛續(xù)航能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。
距離 VS 持續(xù)時(shí)間:對(duì)電池性能來(lái)說(shuō),哪個(gè)更重要?
為了提高單次電池充電的續(xù)航能力,需要增加能量容量,有兩種潛在的方法可以做到這一點(diǎn)。 第一,可以增加車輛中每個(gè)電池組的電池單元數(shù)量,但由此也會(huì)帶來(lái)車輛的價(jià)格和重量增加,這對(duì)續(xù)航能力和消費(fèi)者來(lái)說(shuō)都不是好事。 第二,可以增加以每小時(shí)瓦特為單位的電池能量密度,事實(shí)上,這也是目前業(yè)界正在追求的道路。
市場(chǎng)在考慮提高電池續(xù)航能力時(shí),還采取了另一種方法,即從傳統(tǒng)的電池-模塊-電池組的方法演變,完全跳過(guò)模塊,直接從電池到電池組,從而減輕車輛的重量。 此外,還需要在電池組中的能量與如何有效地將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際推動(dòng)車輛前進(jìn)的能量之間進(jìn)行有效的能量轉(zhuǎn)換,這就是牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。
在電池改進(jìn)方面,正在研究的三個(gè)主要事項(xiàng)是增加每小時(shí)的瓦特?cái)?shù),從電池模塊包中移除模塊,完全跳過(guò)模塊,以及有效的能量轉(zhuǎn)換。 那么,在這三個(gè)方面最大的挑戰(zhàn)是什么?哪一個(gè)面臨的挑戰(zhàn)最大?首先讓我們看一下電池的屬性。
動(dòng)汽車的五個(gè)電池屬性
在電池中,有五個(gè)主要屬性需要考慮。
- 能量密度
- 成本
- 為車輛充電和供電的速度
- 電池壽命
- 安全性
汽車應(yīng)用對(duì)電池的獨(dú)特要求包括某些設(shè)計(jì)上的考慮,這些考慮超出了消費(fèi)電子產(chǎn)品的要求。 例如,汽車應(yīng)用有更嚴(yán)格的技術(shù)要求,如電池壽命需要持續(xù)10~15年,還需要能夠在-30~52?℃的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。 最后,它們的成本應(yīng)該低于每千瓦時(shí)一百美元。 單一的電池技術(shù)或化學(xué)成分要達(dá)到以上這五個(gè)屬性的所需水平,將是非常具有挑戰(zhàn)性的。
鋰離子電池的最大缺點(diǎn)是容易過(guò)熱,在非常高的電壓下容易損壞。 在電池的使用壽命中,能量?jī)?chǔ)存能力也會(huì)減少。未來(lái),當(dāng)我們轉(zhuǎn)向固態(tài)電池時(shí),其中一些權(quán)衡因素將不再是一個(gè)問(wèn)題。
圍繞動(dòng)力系統(tǒng)和電池的測(cè)量挑戰(zhàn)
在動(dòng)力系統(tǒng)方面,電動(dòng)馬達(dá)的功率和效率是評(píng)估和與電池存儲(chǔ)相互作用的決定性變量,它們決定了電動(dòng)汽車的里程和續(xù)航能力。在動(dòng)力系統(tǒng)方面,一些特定的測(cè)量,如機(jī)械測(cè)量、DQ測(cè)量、DQ0測(cè)量以及電氣測(cè)量,對(duì)確定其能量轉(zhuǎn)換效率非常重要。在電池方面,不同的測(cè)試方法是針對(duì)電池級(jí)、模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)而開發(fā)的。 一旦把它們打包,用于電池級(jí)的相同儀器也可以用于系統(tǒng)級(jí)。 從電池的角度來(lái)看,一些常見的測(cè)量方法是圍繞著內(nèi)阻測(cè)量(這是一個(gè)直流測(cè)量)、開路電壓(這是在靜置一段時(shí)間后,電池兩端的電壓測(cè)量)。除了這些鋰離子電池的特征,還有泄漏電流、充電和放電脈沖等。
汽車系統(tǒng)測(cè)量的挑戰(zhàn)
電池制造商正致力于提高電池的壽命,減少充電時(shí)間和提升能量密度。因此,當(dāng)我們考慮電池組水平時(shí),有一些汽車測(cè)試項(xiàng)比其他測(cè)試項(xiàng)更為重要,例如使用Keithley 2400系列SMU進(jìn)行母線焊接測(cè)試。當(dāng)我們把不同的電池放在一起時(shí),我們需要檢查不正確的焊接,因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量,從而導(dǎo)致電池性能不佳,甚至失效。然后是溫度和環(huán)境測(cè)試,以及自放電測(cè)試。電池管理系統(tǒng)是一種智能系統(tǒng),可以監(jiān)測(cè)電池組的充電狀態(tài)和健康狀態(tài),電池管理系統(tǒng)的測(cè)試需要滿足標(biāo)準(zhǔn)。
符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
要想大幅擴(kuò)大電動(dòng)汽車市場(chǎng),僅靠電池技術(shù)的進(jìn)步是不夠的。政府法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的,此外,還需要完善配套充電基礎(chǔ)設(shè)施,以減少司機(jī)對(duì)車輛行駛里程的焦慮。就泰克而言,我們是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織的成員,并積極參與這些新興測(cè)量科學(xué)的進(jìn)一步研究。例如,泰克是JEDEC委員會(huì)、JC-70、70.1、70.2工作組的成員。最近在APEC 2022上,泰克提交了一篇關(guān)于DQ0的三相電機(jī)論文,使用MSO5B系列評(píng)估電機(jī)機(jī)械性能的關(guān)鍵測(cè)量方法。新的測(cè)量方法正在設(shè)計(jì)和規(guī)范中,泰克與行業(yè)合作伙伴和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)密切合作,以確保我們能夠準(zhǔn)確可靠地測(cè)量所有這些領(lǐng)域。
根據(jù)行業(yè)估計(jì)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),到2030年,電池市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以約30%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),達(dá)到約4,000千兆瓦時(shí)的產(chǎn)能——相當(dāng)于未來(lái)10年新增約90個(gè)千兆工廠。