EV电池设计创新：扩大续航里程、延长电池寿命

来源：半导体行业观察

电动汽车（EV）电池技术不断推陈出新，成为了支撑电动交通突飞猛进的关键汽车技术之一。2022 年，EV 电池组的平均成本为 153 美元/kWh，相当于 15 年间下降了 90%。

展望未来，汽车行业预计，锂离子电芯的需求会以每年 33% 的速度增长，在 2030 年之前达到 4700 GWh。

更实惠的 EV 电池有助于尽早平抑 EV 和内燃机汽车之间的价差。然而，由于原材料、供应链和能源成本不断上升，电芯制造又是一个需要耗费大量能源的过程，因此控制电池成本始终存在巨大挑战。

EV 电池价格快速下跌，需求却一路走高，如何在其间找到平衡点，技术创新需要发挥重要作用。抛开成本压力不谈，电池技术必须继续升级，才能支持电动交通生态系统动态发展。

EV 电池的角色演变

图 1 概述了电动交通生态系统以及生态系统的发展对电池产生的影响。


图 1：EV 电池在电动交通生态系统中发挥着关键作用

图右，汽车制造商和电池开发商必须生产出满足消费者续航里程期望的 EV 电池。在宏观层面上，容量更大、使用寿命更长的电池有助于汽车电气化与真实应用的融合，从而实现电池循环，减少浪费和污染。

图左是日新月异的智能电网，它描绘了电动汽车电池如何由从充电站汲取能量的单向“耗电装置”转变为双向或车辆到电网（V2G）电源。在深入探讨如何提升电池性能的时候，我们会进一步介绍 V2G。

电芯、模块和电池组级别的电池性能设计

EV 电池电芯可能采用圆柱形、软包和棱柱形等不同外形。从根本上讲，无论采用哪种外形，电芯的初始开发阶段都很相似。电芯开发人员必须在研发过程中完成电芯化学成分和材料的表征、选择和优化。

要想达到用户预期的续航里程和快充速度，满足未来的 V2G 功能需求，开发人员需要从电芯化学这个层面着手。按照电池性能技术指标，电芯开发人员需要分析各种电化学混合物的性能（见图 2 示例）。


图 2：电芯化学成分不同，性质和性能也会各异

现代电池测试实验室必须一次性处理成千上万颗被测电芯，准确测量不同电芯设计的实际性能，才能知道它们是否达到了设计目标（见图 3）。


图 3：开发新电芯时必须考虑不同的电芯特性，因为电芯特性由其应用决定

在设计和测试电池的过程中，如果电芯最终是组装成模块或者电池组为车辆供电，那么电池设计经理必须考虑如何兼顾不同应用的不同测试参数。电池的应用涵盖两轮摩托车、轿车、运动型多功能车和重型运输车辆。面向不同最终用户市场的电池需要满足不同的需求，需要采用不同的测试设置。因此，测试环境必须能够支持所需的电压、通道和安全要求（见图 4）。

要想验证电池在电芯、模块和电池组各个级别的性能，还需要进行如下一些测试：

· 记录温度值，以便研究电芯的电气性能和热性能的相互影响。
· 检查机械连接和模块性能。
· 电池与车辆的电池管理系统（BMS）通信的情况。


图 4：开发周期中的各个阶段都需要配备有助于验证电池性能的测试环境

自动化管理在电池测试实验室的作用日益重要

图 5 简单描述了电池测试实验室中不同的角色及其任务。由于被测器件的数量非常之大，实验室管理人员无法继续凭借手动跟踪和电子表格来管理现代电池测试实验室。

自动化实验室运作不仅能确保高效的时间和资源管理，还能实现测试数据的跟踪和追溯，以及提高测试吞吐量。如果测试设施庞大、测试站点众多，实验室管理人员可以借助基于云的实验室运作管理工具来管理和控制电池测试操作状态。他们还可以把采集自被测器件的测试数据用于改进设计。


图 5：现代电池测试实验室需要同时监管成千上万个被测器件，因此实验室的数据流和管理至关重要

确保从蓝图到生产阶段的质量稳定

一旦新电芯设计可以投入量产，它就进入了快速发展的大规模生产阶段。麦肯锡的一份报告称，如果电芯需求继续以每年 30% 的速度增长，那么按照当前的产能，全球市场还需要建设另外 90 座超级工厂，才能满足未来十年的汽车电动化需求。

美洲和欧洲追随中国和韩国的步伐，在更靠近终端市场的地方制造电动汽车电池。这些国家投入数十亿美元用于扩大超级工厂的产能，图 6 展示的就是这个复杂的制造工艺。


图 6：电芯循环和老化是电芯制造这一复杂工艺当中耗时最长的阶段

超级工厂在设立之前要解决许多问题，包括位置、预算、原材料获取、制造系统和人力资源。不过，我们的重点是如何从电芯层面开始构建更好的电池。

对于大批量制造来说，吞吐量是反映生产效率的关键指标。在锂离子电芯制造工艺当中，电芯化成和老化这两个工序所耗的时间最多。在电芯老化工序中，制造商必须测量电芯的自放电速率，即使电芯并没有连接任何器件。这样做的目的是挑拣出自放电特性异常或自放电过大的不良电芯，因为这种“坏”电芯会对模块和电池组的性能产生不利影响。

电芯的自放电特性可能需要几天、几个星期乃至几个月才能展现出来。但是，在时间和成本都相当敏感的制造环境中，过去那种花很长时间去跟踪自放电的方法非常不切实际。

一部分制造商现在使用一种相对较新的恒电位测量方法来直接测量电芯内部的自放电电流。过去的方法需要等上好几天甚至好几个星期来记录电芯的自放电性能，新方法一般只需要几个小时就能完成测试，因此为这种至关重要的质量检查既节省了时间，又节省了宝贵的空间。

新技术带给我们的是充电速度更快、性能更强大的电芯。这些电芯要进行循环测试，通过电芯样本的测试结果来判断电芯的循环寿命以及充电速率对电芯寿命的影响。随着电芯容量快速增长，开发商和制造商需要提供和消耗更大的电流。
为了避免昂贵的电力消耗，现代电芯循环器采用再生电力，把电芯放电过程中再生的电力回收到电网，从而降低净能耗和运营成本。这一过程也减少了电子器件产生的热量，降低了生产设施的散热需求。

经得起未来考验的电池测试技术

随着汽车电动化持续发展，电池开发商和制造商必须在电池测试能力方面先发制人。他们需要在设备方面做好规划，以便处理更大的电芯容量、更高的供应/消耗电流，并且能利用再生电力来降低运营成本。

有些制造商采用不受位置限制的模块化“超级测试舱”来降低投入到电池测试当中的时间和成本，这种方式同时还支持他们根据需求快速完成部署。

这些振奋人心的创新无疑将有助于进一步扩大电池的开发和生产规模，为电动汽车的采用提供动力。