电动汽车电池技术为可持续发展的未来注入动力

2021-12-13 14:12:23 ADI公司

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随着电动汽车电池技术的不断发展和改进，我们很容易想象未来世界的交通：无论是私家车和SUV，还是卡车行业，都靠电池运行。碳排放量将大大减少。但这仅仅是开始。电动汽车(EV)的旧电池如果加以再利用，将有望以更深刻的方式改变世界——把小型离网电源带到世界的偏远地区，这些地区的医疗、教育和经济发展取决于能否获得廉价的再生能源。

虽然美好未来的基础工作已在奠定之中，但电池制造商仍面临严峻挑战——从降低电动汽车电池的高成本（使电动汽车能与内燃机汽车竞争），到制造可再利用和可回收的电池（这样当电池不再能用于电动汽车时，还能在其他用途上创造价值）。

那么，如何才能让基于电池动力的未来成为现实呢？答案不仅取决于消费者、决策者和电力公司的支持，还取决于能否建立合适的合作伙伴关系并进行正确的投资。

引领变革

电动汽车的潜力令人振奋，尤其是在环境影响方面。越来越多的企业将可持续发展作为重中之重。研究表明，注重生态的做法可以转化为销售的增长。电动汽车领域也是如此。2017年，全球电动汽车销量突破100万辆大关，紧接着在2018年，销量突破200万辆大关（210万辆），增长了65%。但在2019年，受全球汽车销量整体下滑的影响，销量仅增长9%（为230万辆）。尽管如此，预计到2030年，电动汽车的需求将增长十倍。全球几乎每个地区都推出了更新的电动汽车普及激励措施，且所有大型OEM都在着手实现车系的电气化。全球都在加大对电气化的投入。

但是，电动汽车行业仍然存在一个价格比较问题。预计到2030年，电动汽车电池的成本将持续下降，但占电动汽车成本三分之一以上的电池成本仍然是电动汽车实现与汽油动力汽车价格持平的主要障碍之一。

一种潜在的解决方案是采用高度精确且安全的电池管理系统(BMS)，该系统可帮助汽车制造商和零件制造商弥合当今的高成本电池与明天的更便宜电池之间的差距。

ADI公司汽车业务副总裁兼总经理Patrick Morgan表示：“从消费者角度看，存在几个重大问题。更大的电池可以实现更长的行驶距离。问题是这会增加成本和重量。为了解决该问题，我们的方法是为电池管理系统制造极其高效且精确的电子器件，让汽车可以从任何特定电池包中获取最多可用能量。”

对于已经开始重资进行电气化的卡车等行业，这种效率更为关键。McKinsey的一项研究表明，如果电池能够满足需求，那么到2030年，多达20%的中型卡车将是电动卡车。加州大学伯克利分校交通可持续发展研究中心联席负责人Susan Shaheen表示：“电动车辆可能需要额外的停工时间以便充电，这会对业务绩效产生不利影响，因为电动车辆处于无收入状态的时间要长于汽油驱动的车辆。”

图1. 2030年电动汽车在整体汽车销量中的占比预计将达到约20%至25%

效率始于精整阶段

电动汽车电池技术和电池制造与管理方面的最新创新可能会彻底改变商业和消费场景。电池的生产和精整阶段——电池化成和测试——对于确保产线效率至关重要。电池化成的全部目的就是确保所制造的电池单元在整个生命周期中拥有最大容量和最高可靠性。对于电池制造商和仪器供应商而言，提高电动汽车生产的规模和效率是把握电动汽车市场机遇的关键。

“我们销售的产品触及电池整个生命周期的各个阶段——从化成到运行，再到梯次利用。在化成过程中，我们的产品控制着生长电池单元的精密设备。电池单元诞生的这一阶段对于确定可用寿命至关重要。”Morgan解释说。

改善电池工作条件

与油箱等单个储能元件不同，电动汽车的电池组由数百或数千个协同工作的电芯组成。当电源流入或流出电池组时，必须以有保证的精度对电池进行精密管理，以确保即使在最恶劣的条件下，包括极端温度和带有电磁噪声的环境中，电池也能在车辆的整个生命周期内提供较大的可用容量。除此之外，为了确保安全性，电子产品必须从一开始就精心设计，以完全符合全球所有严格且不断演变的安全标准要求。这些标准并不仅限于ASIL-D标准，还需要开发创新的电池功能性架构。

由此出发，ADI公司的电动汽车锂离子电池管理系统不断测量每个电池单元的电压，这不仅对电池续航能力和性能有利，而且还能保证较大安全性。高度准确的充电状态测量使汽车制造商和零件制造商能够安全地输出最大功率。Morgan表示：“我们的产品可保证在汽车的整个生命周期中提供极高的精度，让电池较大程度地快速安全充电和放电，并让每次充电可实现的车辆续航里程较大化。”

更好的电池

改善电池续航里程和性能是全面采用电动汽车的关键所在。更智能、更精确的电池管理系统已经在帮助汽车制造商和零件制造商让电池支持更长行驶里程。

图2. 电动汽车电池的续航里程增加

随着BMS性能不断提高，电池将能更好地支持电动汽车行驶里程的延长和自动驾驶汽车的传感器。

无线束设计消解系统复杂性

新的无线电池管理系统给行业带来颠覆性的变化。ADI公司最近开发的无线电池管理系统(WBMS)以有线BMS的现有组件为基础构建，无需再使用线束将电芯连接在一起，可以节省工程设计和开发成本，并消除相关的机械性挑战和线束带来的复杂性。它还使得电池包设计具有高度模块化和可伸缩特性，因此可以反复用在不同车型的设计中。此外，由于每个电池模块都是无线的，因此可以在从电池化成开始，到存储和组装，再到在汽车中使用这整个过程中收集和存储数据，从而实现电池状态计算，给出电池组的剩余电量。此举降低了电池的成本，且使电池梯次利用（或二手利用）更加有效，例如用在储能、回收或其他应用中，从而降低制造商和车主的总成本，并限制对环境的影响。

换车：电池梯次利用

电动汽车的广泛采用将对环境产生重大影响。根据ADI公司的数据，在2019年，装备了该公司BMS技术的车辆因为采用了超精密电池性能测量且行驶时不需要内燃机，每年减少了约7500万吨二氧化碳排放，这相当于8000万英亩成熟森林的碳吸收能力。

不过，电动汽车电池技术还有更多利好：电池梯次利用。电动汽车的电池只要在整个生命周期中管理得当，则耗损并不意味着报废。拆下电动汽车电池以在储能解决方案中再利用，可能是向离网社区供电的一个关键因素。考虑到9.4亿人（占世界人口的13%）没有电力供应，还有30亿人（占世界人口的40%）没有清洁的烹饪燃料，不难想象对微型和离网电源解决方案的需求是多么巨大¹。

经济实惠的电力供应将带来许多改变生活的多米诺骨牌效应。消除不安全烹饪燃料的使用可改善室内空气质量，从而改善健康状况。电力可以为照明设备供电，让孩子们在天黑后可以学习。供应清洁水和净化废水的设备也能运转。通过互联网接入进行数字通信成为可能。因此，电池梯次利用有可能激发人们曾经认为无法实现的经济发展收益。

这使得ADI公司给电池管理系统带来的精度成为汽车制造商的一个更重要考虑因素，而二次应用的所有者（例如储能系统制造商）将从ADI公司的无线技术中受益匪浅。该技术不仅支持OEM，还能帮助创造围绕电池回收的全新行业和商业模式。“我们才刚刚开始看到无线带给车辆供应链的好处。”Morgan解释说。

图3. ADI公司的无线技术被广泛应用于汽车

常规发动机的智慧

二十年前，ADI公司首次面向汽车市场推出了精密功率和其他测量解决方案。总裁兼首席执行官Vincent Roche并未遗忘过去，数十年在常规内燃机车辆领域创建功能的经验，对公司成功开发电动汽车电池技术起着重要作用。Roche表示：“我们将硅解决方案与日益复杂的数学相结合，以便能够理解现实世界，包括电池管理系统，其变化之深刻每隔几年就会增加几个数量级。”

¹资料来源：网址：Ritchie, H. Roser, M. Access to Energy, ourworldindata.org, 2020年3月7日访问。

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