未來電動(dòng)車的成敗將取決于使用地點(diǎn)和方式，以及電池材料、能量密度和一些非常復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)（BMS）方面的重大進(jìn)展。

電池能量需要平衡，存儲(chǔ)時(shí)間要長，并實(shí)時(shí)輸送到最需要的地方。這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，如今車輛中幾乎所有東西都在重新架構(gòu)，從電池正負(fù)極各種元素的混合物到電芯和電池組的布局、形狀和封裝。而所有這些都必須通過電子方式進(jìn)行監(jiān)控和管理，以確保各個(gè)電池的老化程度一致，充電正常。

電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)只是復(fù)雜技術(shù)轉(zhuǎn)變的第一步。事實(shí)證明，增加車輛續(xù)航里程，并減少充電時(shí)間，是一個(gè)更為棘手的挑戰(zhàn)。電池容量一直在以每年約5%-6%的速度增長。能量密度更大和/或更多的電池將使車輛行駛更久，加速更快，但電池原材料受到地緣政治和環(huán)境問題的限制，因此人們正在考慮許多替代方案。

問題是如何使電池保持更多的電量，同時(shí)也使其更適應(yīng)快充。英飛凌的高級(jí)工程師Felix Weidner說：“現(xiàn)在，有人在負(fù)極混合了一點(diǎn)硅（約5%-10%），且正在尋找方法來混合更多的硅。在充電過程中，你將這些鋰離子泵入石墨烯，但一個(gè)鋰離子需要相當(dāng)多的石墨烯。我們的想法是，采用硅會(huì)得到更大的能量密度，因?yàn)楣杩梢圆蹲礁嗟匿囯x子。但它也有缺點(diǎn)。它不太穩(wěn)定，而且會(huì)膨脹得很厲害，否則就使用100%的硅了?！?br />

另外兩種元素，鎳和鈷，目前被用來增加密度和提高安全性。但戰(zhàn)爭和有限的資源造成的短缺已經(jīng)抬高了電池和電動(dòng)車的價(jià)格，并促使全球?qū)ふ腋S富和更易使用的新材料。

Argonne儲(chǔ)能科學(xué)合作中心主任兼儲(chǔ)能研究聯(lián)合中心副主任Venkat Srinivasan說：“成本是目前限制人們購買電動(dòng)車的原因。我們估計(jì)，今年電池的成本約為$130/kWh，而一輛電動(dòng)車一般需要90kWh。我們認(rèn)為目標(biāo)需要達(dá)到$65/kWh左右。但看起來2022年將是電池平均成本上升的第一年（盡管不是對每個(gè)公司都是如此，因?yàn)橛行┕居虚L期合同），因?yàn)殁捄玩嚨亩倘??！?

圖1：全球電動(dòng)車鋰電池需求預(yù)測（資料來源：Argonne National Laboratory）
僅僅增加電池?cái)?shù)量是一種昂貴的選擇，通常是豪華車會(huì)選擇的，在這個(gè)細(xì)分市場中某些車型續(xù)航能力會(huì)達(dá)到500英里以上。更多或更大的電池在充電時(shí)間上也有優(yōu)勢，因?yàn)榻o快沒電的電池充電要比給接近滿電的電池充電要快。電池越大，數(shù)量越多，充滿200或300英里電量的速度就越快，因?yàn)槌潆娮詈臅r(shí)的部分是在幾乎充滿的狀態(tài)時(shí)。
但是，由于其他因素，續(xù)航能力也會(huì)有所不同。例如，風(fēng)阻已經(jīng)成為車輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。環(huán)境溫度也會(huì)影響續(xù)航能力，山地等地形也會(huì)影響。
Consumer Reports 2019年的一項(xiàng)實(shí)地測試顯示，在寒冷的氣候下，電動(dòng)車的續(xù)航能力幾乎會(huì)減少一半。第二年，Car and Driver雜志測試特斯拉Model 3時(shí)調(diào)高了空調(diào)和座椅加熱的溫度，結(jié)果報(bào)道說續(xù)航能力下降了60英里。電機(jī)不會(huì)像內(nèi)燃機(jī)那樣產(chǎn)生熱量，所以它基本上就像在電池上安裝了一個(gè)小烤箱。在炎熱的天氣里，空調(diào)也有類似的影響。
電池充電越頻繁，壽命也會(huì)越來越短。這通常表現(xiàn)為隨著時(shí)間的推移，最大續(xù)航能力的減少，類似于手機(jī)電池老化的情況。但如果更換車輛的電池，為了保持整個(gè)電池模組和模組之間的平衡，需要一次性更換全部電池，這可要比購買一部新手機(jī)貴得多。這反過來又迫使車廠更多地像芯片公司一樣思考問題，電池預(yù)算是固定的，新的電子器件需要符合該預(yù)算。
西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司自動(dòng)駕駛和ADAS高級(jí)總監(jiān)David Fritz說：“我們的目標(biāo)是盡量減少充電次數(shù)，因?yàn)楦鼡Q電池的成本把消費(fèi)者嚇跑了。我們能讓系統(tǒng)消耗的電量越少，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率就越高。我們可以使用復(fù)合材料來減輕重量，但我們能介入的部分有限。下一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是了解所有電子器件的用途，以及它們的能耗是多少。我們可以通過關(guān)閉這些設(shè)備并將其置于低功率模式來進(jìn)行控制。我們必須要在從L3過渡到L4、L5之前完成這項(xiàng)任務(wù)?！?

電池管理

從純粹的功能角度來看，電池管理是車廠下一個(gè)重要的差異化因素。雖然車廠將繼續(xù)集中在以華麗的功能進(jìn)行差異化，但涉及到電機(jī)和變速箱時(shí)，其獨(dú)特性和定制性是有限的。
電池管理比想象的要難得多。目前，它涉及加熱、冷卻和確定最佳的充電百分比，以延長電池的壽命。但這僅僅是個(gè)開始。未來，電池架構(gòu)預(yù)計(jì)將變得更加復(fù)雜，可能涉及不同任務(wù)的專用電池和新材料。預(yù)計(jì)也會(huì)有解決壞電池的辦法，幾乎就像ECC內(nèi)存對DRAM的作用一樣，在更長的時(shí)間內(nèi)保持最大的續(xù)航能力。
這方面已經(jīng)有了一些衡量標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)是SoC（State of Charge），是指在任何特定時(shí)刻電池中的能量。第二個(gè)是SoH（State of Health），它指電池容量的可用百分比。
英飛凌的系統(tǒng)應(yīng)用工程師Scott Winder說：“SoH會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。這有幾個(gè)因素在起作用。一個(gè)是當(dāng)在電池接近其最大容量時(shí)增加充電，在電池內(nèi)就會(huì)發(fā)生化學(xué)變化。如果總是充滿，就會(huì)影響電池壽命。這也是手機(jī)制造商一直在解決的問題。假如通常你給電池充到250英里續(xù)航，但在長途旅行中，你可能會(huì)充到300英里。還有由于電阻而產(chǎn)生的熱量問題。當(dāng)電量是空的狀態(tài)時(shí)，給它充電比較容易，但幾乎是滿電時(shí)，就比較困難了。所以你充電時(shí)的開始階段會(huì)充的比較快，但隨著溫度的升高充電速度也會(huì)降下來?！?br /> 因?yàn)殡姵乜赡苓^熱并引起火災(zāi)，所以電池也有安全方面的問題。Winder說：“SoH是最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)楫?dāng)車輛起火時(shí)，是從一個(gè)電芯開始的（除非是事故損壞了多個(gè)電池）。也許是沒有正確地充電，或者發(fā)生了什么，因此發(fā)熱到熱失控的程度。這些電池通常組裝在金屬盒中，可以起到散熱功能，但有時(shí)熱量太高導(dǎo)致擴(kuò)散到其他部分?！?br /> 電動(dòng)車公司特別關(guān)注電池內(nèi)部的熱問題，這是引進(jìn)新材料的挑戰(zhàn)之一。一切都需要在極端條件下進(jìn)行長期測試，在汽車應(yīng)用的情況下，這可能將長達(dá)五年之久。
Fraunhofer IIS自適應(yīng)系統(tǒng)工程部的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人Roland Jancke說：“你需要監(jiān)控電池，你需要確定每個(gè)電池的狀態(tài)。雖然會(huì)有備用電池，但這些系統(tǒng)需要決定何時(shí)切換以及健康狀況如何。所以你需要一個(gè)管理系統(tǒng)和某種電池管理芯片。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，你需要全面的模擬，你可以向整個(gè)電池組注入故障，看看如果其中一個(gè)電池出現(xiàn)故障會(huì)發(fā)生什么，并看看BMS會(huì)做什么。它是否會(huì)正確地監(jiān)控一切？診斷程序是否正常？它是否切換到另一個(gè)電池？”
電池結(jié)構(gòu)電池在物理上是很重的，需要以一種改善車輛操控性的方式裝入車輛。它們還需要以一種方式排列，以最小的損耗為關(guān)鍵功能提供足夠的能量，同時(shí)還需要避免電池過熱。
英飛凌的Winder說：“現(xiàn)在，我們把所有的電池以電池包的形式平整地安裝在車輛底部，各車廠正在使用大量的傳導(dǎo)性冷卻技術(shù)，將熱量通過金屬傳導(dǎo)到底盤。還有人在使用液體冷卻，使用導(dǎo)電液體。如果你把電池分散開來，集成到底盤的不同位置上，那么在一個(gè)區(qū)域的集中度就會(huì)大大降低。另一面是，當(dāng)外界溫度很低時(shí)，就需要加熱電池，以便它們能夠以最高效率運(yùn)行。如果電池是分散的，就需要在不同的點(diǎn)加熱它們?！?br /> 但并不是所有的電池都是一樣的，也不是所有的電池都適合所有的任務(wù)。車輛中的一些系統(tǒng)總是處于開啟狀態(tài)，其它系統(tǒng)可能只是偶爾使用。而且，啟動(dòng)車輛和查看備用攝像頭的反應(yīng)時(shí)間需要是即時(shí)的，而啟動(dòng)信息娛樂系統(tǒng)的一兩秒延遲一般不會(huì)被注意到。這是否會(huì)演變成分布式電池架構(gòu)，使用不同類型的電池，或更好地控制現(xiàn)有的電池，還有待觀察。但在這一點(diǎn)上，所有的選擇都在探索之中，包括可能使用氫燃料電池作為備用。
Argonne的Srinivasan說：“電池非常適合乘用車等輕型車輛。但是，電池能為重卡、船舶和飛機(jī)等提供的能量密度是有限的。人們開始談?wù)撓駳溥@樣的燃料，它是碳中性的，或者像氨這樣的無碳燃料。當(dāng)我們開始在不同行業(yè)的背景下看待無碳化，而不僅僅是乘用車，將會(huì)看到其他技術(shù)發(fā)揮的作用。但對于乘用車、手機(jī)、筆記本電腦、手表等，可能會(huì)有某種專用電池?！?

圖2：電池原材料主要礦物質(zhì)的全球儲(chǔ)備（來源：Argonne國家實(shí)驗(yàn)室/美國地質(zhì)調(diào)查局/美國能源部，基于LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正極）

低功耗設(shè)計(jì)

當(dāng)然，能量方程式的另一面是提高車輛芯片和系統(tǒng)的效率。

Arteris IP的CMO Michal Siwinski說：“人們將更加關(guān)注更智能、更高效的電子產(chǎn)品。我們已經(jīng)看到了一些跡象。五年前，汽車芯片曾以某種方式完成?，F(xiàn)在，這都是定制的流程。其中有些是法規(guī)，有些是電動(dòng)車存在的現(xiàn)實(shí)。但是，即使電池越來越先進(jìn)，仍然會(huì)有數(shù)千個(gè)不同的電子子系統(tǒng)和芯片，而且它們都將被連接。這絕對會(huì)對電量造成消耗?！?

與所有復(fù)雜的電子產(chǎn)品一樣，最大的挑戰(zhàn)之一是弄清楚如何劃分和并確定能量使用的優(yōu)先級(jí)。

西門子的Fritz說：“這些變化堪比從多個(gè)分立芯片向SoC的過渡。我們在系統(tǒng)芯片中降低功耗的方法是使用時(shí)鐘門控并在需要時(shí)進(jìn)行開關(guān)。對于車輛來說，這可能很重要，但從車廠的角度來看，這幾乎是一種褻瀆。有這么多的ECU在做獨(dú)立的和單獨(dú)的任務(wù)，他們不可能將其打開和關(guān)閉。我們正在與七個(gè)不同的車廠合作，每家都在采取非常不同的方法。其中一家正在研究一個(gè)L4自動(dòng)駕駛解決方案，它需要大約4kW的功率。我們能夠?qū)ν瑯拥慕鉀Q方案進(jìn)行建模，基于最先進(jìn)的技術(shù)，而不是一些現(xiàn)成的、耗電的x86東西，我們能夠把它降低到40W。一旦你加上所有的外圍設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)是50W，而不是4kW。這對續(xù)航能力和環(huán)保性都有影響，因?yàn)橐淮纬錆M電后的使用可以節(jié)省大約7磅CO2?！?

電池化學(xué)、電池管理和電池設(shè)計(jì)正變得越來越復(fù)雜。這個(gè)領(lǐng)域的圣杯仍然是一個(gè)能夠快速充電、續(xù)航里程可達(dá)到數(shù)十萬英里的電池，且既安全又相對便宜。與大多數(shù)復(fù)雜的電子產(chǎn)品一樣，這需要權(quán)衡，需要一些復(fù)雜的架構(gòu)，以及不斷重新思考車輛的電力傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)。因此，盡管諸如降噪和炫酷的顯示器等功能被用來吸引買家，但在大多數(shù)人從未關(guān)注過的地方，還有很多創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。

Ansys的芯片業(yè)務(wù)部產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Swinnen表示：“以前車廠將發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與信息娛樂和電子裝置的能量源分開，并將其置于單獨(dú)的電氣總線上。電動(dòng)車情況就不同了。這些都是60kWh-70kWh的大電池。對于電動(dòng)車來說，關(guān)鍵是續(xù)航能力，而其中一個(gè)大問題是加熱。這或許可以解釋為什么密歇根州和達(dá)科他州等北部地區(qū)對電動(dòng)車不太感興趣。”

而就整個(gè)電動(dòng)車生態(tài)系統(tǒng)而言，這仍然是一個(gè)大挑戰(zhàn)。

[參考文章]

Battery Management Getting Competitive For EVs — Ed Sperling