[汽車(chē)創(chuàng )新三大驅動(dòng)力]系列之一:解決電動(dòng)化和電池測試挑戰的方法探討

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電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化以及它們獨特的測試挑戰和解決方案，正在驅動(dòng)整個(gè)汽車(chē)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，從第一個(gè)驅動(dòng)力開(kāi)始——電動(dòng)化和電池。

圍繞電動(dòng)汽車(chē)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航里程。而圍繞續航能力有一些關(guān)鍵績(jì)效指標，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(jì)效指標。我們今天看到的趨勢是鋰離子電池，但在未來(lái)，我們將看到向固態(tài)的轉變。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(chē)輛續航能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。

距離VS持續時(shí)間：對電池性能來(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(chē)輛中每個(gè)電池組的電池單元數量，但由此也會(huì )帶來(lái)車(chē)輛的價(jià)格和重量增加，這對續航能力和消費者來(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)在考慮提高電池續航能力時(shí)，還采取了另一種方法，即從傳統的電池-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(chē)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化為實(shí)際推動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)的能量之間進(jìn)行有效的能量轉換，這就是牽引電機的轉換效率。

在電池改進(jìn)方面，正在研究的三個(gè)主要事項是增加每小時(shí)的瓦特數，從電池模塊包中移除模塊，完全跳過(guò)模塊，以及有效的能量轉換。 那么，在這三個(gè)方面最大的挑戰是什么？哪一個(gè)面臨的挑戰最大？首先讓我們看一下電池的屬性。

電動(dòng)汽車(chē)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(chē)輛充電和供電的速度

●   電池壽命

●   安全性

汽車(chē)應用對電池的獨特要求包括某些設計上的考慮，這些考慮超出了消費電子產(chǎn)品的要求。 例如，汽車(chē)應用有更嚴格的技術(shù)要求，如電池壽命需要持續10~15年，還需要能夠在-30~52 ℃的溫度范圍內正常運行。 最后，它們的成本應該低于每千瓦時(shí)一百美元。 單一的電池技術(shù)或化學(xué)成分要達到以上這五個(gè)屬性的所需水平，將是非常具有挑戰性的。

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?jì)Υ婺芰σ矔?huì )減少。未來(lái)，當我們轉向固態(tài)電池時(shí)，其中一些權衡因素將不再是一個(gè)問(wèn)題。

圍繞動(dòng)力系統和電池的測量挑戰

在動(dòng)力系統方面，電動(dòng)馬達的功率和效率是評估和與電池存儲相互作用的決定性變量，它們決定了電動(dòng)汽車(chē)的里程和續航能力。在動(dòng)力系統方面，一些特定的測量，如機械測量、DQ測量、DQ0測量以及電氣測量，對確定其能量轉換效率非常重要。在電池方面，不同的測試方法是針對電池級、模塊級和系統級而開(kāi)發(fā)的。 一旦把它們打包，用于電池級的相同儀器也可以用于系統級。 從電池的角度來(lái)看，一些常見(jiàn)的測量方法是圍繞著(zhù)內阻測量（這是一個(gè)直流測量）、開(kāi)路電壓（這是在靜置一段時(shí)間后，電池兩端的電壓測量）。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(chē)系統測量的挑戰

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，當我們考慮電池組水平時(shí)，有一些汽車(chē)測試項比其他測試項更為重要，例如使用Keithley 2400系列SMU進(jìn)行母線(xiàn)焊接測試。當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，因為這會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的熱量，從而導致電池性能不佳，甚至失效。然后是溫度和環(huán)境測試，以及自放電測試。電池管理系統是一種智能系統，可以監測電池組的充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，電池管理系統的測試需要滿(mǎn)足標準。

符合測試標準

要想大幅擴大電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，僅靠電池技術(shù)的進(jìn)步是不夠的。政府法規和標準是至關(guān)重要的，此外，還需要完善配套充電基礎設施，以減少司機對車(chē)輛行駛里程的焦慮。就泰克而言，我們是多個(gè)標準組織的成員，并積極參與這些新興測量科學(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A(yíng)PEC 2022上，泰克提交了一篇關(guān)于DQ0的三相電機論文，使用MSO5B系列評估電機機械性能的關(guān)鍵測量方法。新的測量方法正在設計和規范中，泰克與行業(yè)合作伙伴和標準機構密切合作，以確保我們能夠準確可靠地測量所有這些領(lǐng)域。

根據行業(yè)估計機構預測，到2030年，電池市場(chǎng)預計將以約30%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，達到約4,000千兆瓦時(shí)的產(chǎn)能——相當于未來(lái)10年新增約90個(gè)千兆工廠(chǎng)。