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持久動(dòng)力電池保障自動(dòng)駕駛汽車安全運(yùn)行

2019-04-10 23:50:54·  來(lái)源：COMSOL  
　
二戰(zhàn)過(guò)后，經(jīng)濟(jì)發(fā)展空前繁榮，美國(guó)的汽車銷售量甚至創(chuàng)造了歷史記錄（造成了很嚴(yán)重的污染問(wèn)題）。今天，我們發(fā)明了節(jié)能汽車混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車，又憑自動(dòng)駕駛
二戰(zhàn)過(guò)后，經(jīng)濟(jì)發(fā)展空前繁榮，美國(guó)的汽車銷售量甚至創(chuàng)造了歷史記錄（造成了很嚴(yán)重的污染問(wèn)題）。今天，我們發(fā)明了節(jié)能汽車——混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車，又憑自動(dòng)駕駛汽車（AV）掀起了新一波浪潮。污染問(wèn)題再次擺在人類面前，但爭(zhēng)論焦點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)移：自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)該采用混合動(dòng)力引擎，使效益最大化，還是使用全電動(dòng)引擎，將污染降低到最少？

自動(dòng)駕駛汽車：混合動(dòng)力還是電動(dòng)？
 
想象在未來(lái)世界，人人 都依靠自動(dòng)駕駛汽車出行。聽起來(lái)很像 Netflix® 未來(lái)派電視劇《黑鏡》中的場(chǎng)景，對(duì)吧？現(xiàn)在，試想如果這些自動(dòng)駕駛汽車使勁地排放骯臟的廢氣，還需要定期去加油站加油，不免與未來(lái)格格不入，就像是智能家庭配備了全套先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，卻還要撥號(hào)上網(wǎng)。
 
自動(dòng)駕駛汽車現(xiàn)在不是，將來(lái)也不會(huì)單純依靠燃油驅(qū)動(dòng)。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是只制造純電動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車，還是也制造混合動(dòng)力自動(dòng)駕駛汽車。雙方各持己見(jiàn)。
一輛電動(dòng)汽車正在充電站充電。圖片由 Santeri Viinamäki 拍攝。已獲 CC BY-SA 4.0 授權(quán)，并通過(guò) Wikimedia Commons 共享。
一方面，許多汽車公司研發(fā)自動(dòng)駕駛汽車的用意——至少是初期目的——在于共享出行，一些公司將眼光瞄準(zhǔn)了自動(dòng)駕駛出租車。油電混合動(dòng)力引擎使得汽車在馬路上行駛（并賺錢）的時(shí)間比在車庫(kù)中充電的時(shí)間更長(zhǎng)。
另一方面，有些汽車公司和環(huán)保組織關(guān)心這些汽車源源不斷地運(yùn)送乘客和貨物，將導(dǎo)致污染程度呈指數(shù)級(jí)增加，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。
從兩方面來(lái)看，自動(dòng)駕駛應(yīng)用所采用的電動(dòng)汽車電池都亟待優(yōu)化，需要考慮諸如電池功率輸出和電池老化之類的因素。利用 COMSOL Multiphysics® 軟件及其附加的“電池與燃料電池模塊”，科學(xué)家和工程師們可以研究和設(shè)計(jì)混合動(dòng)力及純電動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車的電池系統(tǒng)。
最大化電池設(shè)計(jì)的功率輸出
自動(dòng)駕駛汽車中的電子元件自然多于普通汽車。除了主體結(jié)構(gòu)（還有燈、報(bào)警器和收音機(jī)），汽車還裝有導(dǎo)航系統(tǒng)、探測(cè)器和測(cè)距儀。大量功率消耗意味著電池比普通汽車的能量耗盡速度更快。自動(dòng)駕駛汽車的電池設(shè)計(jì)必須擁有持久續(xù)航能力和更多的功率輸出，才能滿足能量需求。
電池管理系統(tǒng)
在混合動(dòng)力和純電力汽車中，電池管理系統(tǒng)（BMS）是一個(gè)極其重要的設(shè)計(jì)因素。通過(guò)精確地監(jiān)控電池活動(dòng)，BMS 可以最大化能量輸出、壽命和安全性。模擬等溫條件下的鋰離子電池有助于分析 BMS 設(shè)計(jì)中的重要因素，包括：
  • 電壓
  • 極化（壓降）
  • 內(nèi)阻
  • 荷電狀態(tài)（SOC）
  • 倍率性能
假設(shè)鋰離子電池一維模型由石墨和鋰離子氧化錳（LMO）材料制成，這是一種高性價(jià)比、具有熱穩(wěn)定性的燃料電池材料，來(lái)自“電池和燃料電池模塊”的材料庫(kù)的默認(rèn)設(shè)置。
電動(dòng)汽車 BMS 系統(tǒng)核心元件圖解。
電池模型有四個(gè)域組成：
  • 負(fù)多孔電極
  • 分離器
  • 正多孔電極
  • 電解液
借助模型，我們可以測(cè)試輸入，然后查看它們?nèi)绾斡绊戨姵氐恼w性能。這些因素包括初始電池電壓；電池容量；分離器和電極厚度；以及電池 SOC，后者是電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車的電池組中的殘余電荷的百分比，類似于燃油汽車中燃油表的水平。
循環(huán)工況
汽車按照特定的循環(huán)工況 運(yùn)轉(zhuǎn)，我們可以監(jiān)測(cè)電池溫度和電壓在這個(gè)過(guò)程中的變化。循環(huán)工況告訴 BMS 電池的 SOC 情況如何：電池實(shí)際上是空的還是滿的。然后，控制部件停止放電（如果電池是空的）或停止充電（如果電池是滿的）。
我們可以對(duì)一維模型進(jìn)行擴(kuò)展，使之包含熱分析，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)工況監(jiān)控。下面我們將考慮混合動(dòng)力汽車中經(jīng)受循環(huán)工況的電池。
BMS 關(guān)鍵零部件和循環(huán)工況示意圖。
工程師可以模擬鋰離子電池的循環(huán)工況來(lái)預(yù)測(cè)其性能，分析難以測(cè)量的參數(shù)或者驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。影響電池循環(huán)工況的幾個(gè)因素包括：
  • 電池每個(gè)部分的內(nèi)阻和極化
  • 電池 SOC
  • 每種電極材料的 SOC
  • 局部溫度
  • 材料
我們可以將外部循環(huán)工況數(shù)據(jù)的電流載荷輸入導(dǎo)入到模型中，比如電池放電率（電池相對(duì)于它的最大容量的放電速率）隨時(shí)間的變化。在這種情況下，導(dǎo)入的數(shù)據(jù)相當(dāng)于混合動(dòng)力汽車的典型值。分析可以告訴你關(guān)于電池循環(huán)工況的很多信息，包括電池電壓、電勢(shì)和完全極化。也有可能確定循環(huán)工況過(guò)程中電池的 SOC 和負(fù)荷電極（以及溫度）。
循環(huán)工況（上圖）和仿真結(jié)果表明電池電壓在循環(huán)工況過(guò)程中的變化（下圖）。
本例的結(jié)果表明，循環(huán)工況適合此種類型的電池設(shè)計(jì)。它們還表明，可以通過(guò)改進(jìn)熱管理，使電池能夠應(yīng)對(duì)更長(zhǎng)久的循環(huán)工況。下一節(jié)我們將討論優(yōu)化自動(dòng)駕駛汽車的循環(huán)工況將影響它們?cè)谄囀袌?chǎng)上的成功。
功率 vs. 能量評(píng)估
倍率性能 的作用是確定電池設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期目的。人們一般采用兩種方法：優(yōu)化能量和優(yōu)化功率。能量?jī)?yōu)化電池具有大容量或強(qiáng)勁的電源，但是電流負(fù)載相對(duì)較小，所以它們是便攜式電子設(shè)備的優(yōu)先選項(xiàng)。對(duì)于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，功率優(yōu)化電池是更好的選擇。這些電池的容量相對(duì)較小，但是電流負(fù)載很高；比如它們可以在大電流下充電。
回到一維鋰離子電池模型，你可以進(jìn)行功率vs.能量評(píng)估來(lái)確定電池的倍率性能。仿真研究了在不同電流負(fù)載下，電池從完全充電狀態(tài)開始的放電過(guò)程，以及從完全放電狀態(tài)開始的充電過(guò)程。
不同放電電流負(fù)載下的電池電壓（上圖）和兩種不同類型電池的能量比較圖（下圖）。
結(jié)果展示了不同電流負(fù)載下的電池電壓，可用來(lái)比較電池設(shè)計(jì)的能量和功率輸出。能量比較圖（上方右圖）說(shuō)明了電池化學(xué)成分和電池容量對(duì)放電速度的影響。
在 COMSOL® 軟件中模擬電池老化
向自動(dòng)駕駛過(guò)渡不可能在一夜之間完成。很多創(chuàng)新人士認(rèn)為自動(dòng)駕駛汽車上市之初將依托共享出行的形式，而非個(gè)人或家庭的私人汽車。從邏輯上講，這意味著共享出行公司的車隊(duì)的每一輛自動(dòng)駕駛汽車每天都被大約十人經(jīng)手，而不是僅是一個(gè)人駕駛；它一整天都在路上奔跑，不能聽命于個(gè)人時(shí)間安排。
實(shí)際上，相比于普通的家用汽車，共享出行自動(dòng)駕駛汽車的電池?fù)p耗要快得多。這就是為什么要進(jìn)行容量衰減分析。
容量衰減
電池都會(huì)經(jīng)歷容量衰減和功率衰減，二者所指有所不同。功率衰減 指對(duì)于給定的放電速度電池電壓降低。容量衰減 指電池容量的損耗，與電流速率無(wú)關(guān)。
放電過(guò)程中的電池電壓變化（上圖）和電池容量在整個(gè)壽命周期中的變化（下圖）。
制成電池的材料不同以及材料組合不同都會(huì)導(dǎo)致老化速度出現(xiàn)差異，甚至?xí)铀倮匣^(guò)程，因而加速電池容量的損耗。影響電池老化和衰減的幾個(gè)因素包括：
  • 載荷循環(huán)的階段
  • 電勢(shì)
  • 局部集中
  • 溫度
  • 電流方向
通過(guò)對(duì)電池的循環(huán)過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)分析，我們可以確定放電過(guò)程中的電壓，并將容量與總循環(huán)時(shí)間和總循環(huán)次數(shù)進(jìn)行對(duì)比。還可以分析電解液體積分?jǐn)?shù)和固體電解質(zhì)膜（SEI）電位降同循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，以及隔板與電極邊界上的局部 SOC（SEI 提供絕緣和導(dǎo)電的電解質(zhì)）。這些因素都有助于優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，保證電池長(zhǎng)久并穩(wěn)定為自動(dòng)駕駛汽車提供能量。
后續(xù)操作
點(diǎn)擊下方按鈕，詳細(xì)了解“電池與燃料電池模塊”中專用于模擬電池與燃料電池的功能特征。
展示電池與燃料電池模塊
更多資源
  • 閱讀更多關(guān)于設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛節(jié)能汽車的文章
  • 混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車中的牽引力從何而來(lái)？
  • Bloomberg 文章：“Autonomous Cars Need Tougher Batteries, Lithium-Ion Pioneer Says”
  • The Verge 文章：“Not all of our self-driving cars will be electrically powered — here’s why”
  • 嘗試操作本文展示的教學(xué)模型（需要 COMSOL Access 賬號(hào)和有效軟件許可證）：
  • 用于檢測(cè)優(yōu)化電池使用壽命和設(shè)計(jì)的一維鋰離子電池模型
  • 鋰離子電池循環(huán)工況監(jiān)控一維模型
  • 鋰離子電池一維模型 – 功率 vs. 能量評(píng)估
  • 鋰離子電池一維模型 – 容量衰減教學(xué)案例
Netflix 是 Netflix 公司的注冊(cè)商標(biāo)。
 
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