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电动汽车电池设计为何如此困难

传统的汽车设计不再适用于作为电子系统运行的汽车。

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汽车电池始终被视为车辆的即插即用部分,但这种方法不再适用于电动车辆。事实上,电池现在是一个差异的因素,它是最重和最昂贵的组件。

过去是一个相对简单的组件已经被各种传感器取代,以测量复杂的静态热和老化效应,以及动态热和自愈效应。此外,电池现在必须包括在车辆的整体架构中,因为它们增加了许多挑战,可能会影响整个系统的操作。

该公司研发工程师布莱恩•凯利(Bryan Kelly)表示:“每个人都认识到,电池是电动汽车中最重要、最具挑战性的部件,因为它决定了一些关键因素,比如续航里程、汽车成本、安全性和充电的便利性。Synopsys对此。“续航里程有限、成本高、电池问题和充电基础设施不完善是纯电动汽车面临的主要挑战。电池提供能量,但需要某些东西来引导和控制它,以便操作电动汽车中的其他部件。”

这是系统级考虑因素播放的地方。“压缩机,泵,电机,辅助电源模块和板载充电模块 - 需要多种功率电子器件,”凯莉说。“此外,事实上,事情正在开启和关闭,这自然地指向动力半导体的手指,范围始终是一个问题。建立了更大的电池。它们是更高功率的,电力电子器件需要处理这一点。他们需要更快地切换,因为你切换速度越快,你将浪费的速度越大,而且这一切都是关于效率的。这是底线。“

自治车辆使这更加复杂。“你真的需要早点拍摄整个系统方法,并考虑系统内部的电池,”Synopsys应用程序工程经理Jim Patton表示。“这推动了更高的模拟需求。自主能力非常肌力饥饿。您有很多摄像机,很多图像处理,很多额外的组件都在车辆消耗电力。需要考虑到这是车辆上另一个巨大的排水。“

所有这些都需要在安全的背景下设置。“您必须模拟故障功能,以便您可以自动插入打开电路和短路,并以编程方式运行大量故障场景来说,”如果我的交流发电机失败会发生什么?我还能够将我的自主车偏离到道路的一侧吗?您需要能够处理该故障并有缓解策略,以处理这些故障。您希望预测最坏情况的情况,然后从非救世方式切换电源,并将动力保持在刹车和真正重要的事情,“Patton说。

充电注意事项
今天的EVS中的一个大型差异化器是充电速度。“十年前,当我开始工作这个领域时,电池组每小时超过1000美元,”机械分析部门新的移动解决方案总监Puneet Sinha表示导师,西门子的业务。“如今,特斯拉Model 3或雪佛兰Volt的电池成本约为每千瓦时150美元。电池的成本已经大幅下降。”

除了价格下降,还需要一种更快充电的方法。这改变了电池的基本设计。

“除了在没有发生巨大的年龄的情况下,细胞可以接受快速充电的方式必须进行细胞开发,除了没有发生任何糟糕的事件,Sinha说。“这是关于细胞中的材料化学。超过这,如何在电池组水平上设计电极物质。这些考虑因素很重要,因为当你快速充电时,你就倾倒了150到200千瓦的力量,当你充电时,你会创造大量的热量。因此,公司正在调查如何在充电相同的包装时进行电池组的冷却。

德拉科汽车公司(Drako Motors)首席执行官迪安·德拉科(Dean Drako)理解这些问题。该公司为其GTE豪华电动超级跑车设计了电池。

该公司网站说,GTE的电池是由兆瓦功率输出的基础,以及用于承受世界上最具挑战性电路的轨道级性能的冷却能力。“随着90千瓦时的能量容量和输出1,800连续和2,200峰值放大器的能力,GTE的电池旨在为GTE的四款电机提供900 KW的不间断电源。内部大规模平行的冷却架构集成了围绕每个单独电池单元的许多冷却通道,以便在圈后快速消散热圈。“

德拉科表示,该公司对此工作非常努力,锂离子电池的设计是整个车辆架构的思想过程的一部分。“我们挑选了比其他制造商相比的设计点非常不同,这只是试图让你的范围或其他东西,因为我们正在为跑车市场进行。我们希望这辆车能够在赛道上比赛,这需要很多功率和设计,并更加冷却,使电池免于过热。随着电池放电并充电,一些能量进入热量,这只是化学物质所做的事情的事实。“

设计电池和电池管理系统的挑战是电池的可接受操作温度范围非常窄,并且在困难的条件下操作。因此,如果电池中的一个电池脱落并过热,则可以开始连锁反应。

“这就是为什么人们喜欢使用常规标准电池,因为制造商做了大量的测试和工作,以确保它们不会爆炸,”Drako说。“因此,你需要在这个电池组中包含大量的温度传感器、电压传感器、电流传感器,随时感知一切。每个电池都有一个保险丝,微控制器控制着整个装置。它会过热,所以你必须将液体泵入整个容器来保持冷却。电池组的可靠性、安全性、稳健性和动力的设计是非常困难的。”


图1:DRAKO GTE电池组(顶视图)。资料来源:DRAKO MOTORS

Mentor的Sinha同意这涉及只需将EV拉到一个充电的空调车库。“我们的许多客户正在研究这些方面。如果您查看此系统,单元格很重要,但这是整个问题的一小部分。您可以在世界上具有最优化的单元格,但如果您在收费时没有为电池组进行正确的热管理,则无用。你不想倾倒太多的能量,因为你不想浪费它。因此,它正在以正确的方式管理系统,以便您可以在更短的时间内实现充电时间而不会浪费能量或不从网格中取出能量并倾销。在DC快速充电方面,所有这些都是关键问题。“

与此同时,所有这些问题都在整个车辆建筑中喂养。“这些是很少人类的东西,如果有的话,可以在一张纸上粉碎并说'如果发生这种情况,我需要这个。If that happens, I need that.’ So as you’re looking for these hundreds of permutations and combinations, this is where specialized software comes into play so you can look into all these considerations such that from the beginning, if you do this, this happens; or if you do that, that happens. What are my options? What can make it cost effective? Then you make the right decisions. This is where we interact a lot with our customers in delivering the right design software so when you’re thinking of the vehicle architecture, you can define what is the right architecture for the vehicle depending on what the usage profile is.”

每个阶段都很重要,它们是连接的。“这是你如何工程师和消耗内燃机(IC)发动机与电动车辆之间的巨大区别。”Sinha说。“IC发动机车辆技术已经成熟,他们是孤独的。您可以在筒仓中开启发动机,然后只需插入。您可以开发车身并找到右座位并插入机舱内的插头。一切都可以淤泥或划分。EVS不是这种情况。“

数据在哪里?
在当今半导体设计的某些领域,存在着过多的数据。电池设计则相反。

“数据很难获得,我一直在实际上在这个问题上敲打这个问题,多年来试图获得数据和制造商来获取数据,”synopsys'kelly说。“结果,[Synopsys工具]没有人工智能。它确实如此,具有最小的数据集,猜测性能是什么。“

这创造了一个合理的模型,可以插入到系统级的模拟中,并在工具中典型的欧洲驱动循环中运行,具有插入初始电荷状态的能力,组件的组成,等等。这使得工程团队可以观察电池之间的电压和电流变化、能量消耗、电荷行为状态,甚至效率和范围。

Synopsys'Patton表示,这些模型对电动汽车设计至关重要。“显然,电池对电动车辆是基础的,可能是最具挑战性的组件中最多的一种。这就是你看到竞争力的竞争压力,因为现在电池可以达到电动车辆。难以平衡重量和力量。你可以增加更多的电池,因此,更多的电力,但每次你做到了重量,你必须逆行。“

还有很多关注电池的化学。“你看到了很多不同的化学品和大量不同的方法,依据,有时往往被忽视的是,只有在化学方面存在很大的挑战,”帕顿说。“电力电子器件是实际使将电池连接到牵引电动机的电气化,或者到车辆的其余部分,因此这些电力电子器件也是至关重要的。你真的需要在那里最大化效率。“

暖通空调系统是另一个需要改进的领域。他说:“这对电池的负担高达40%,因为你必须冷却电池。”“然后,随着舱室的加热和冷却,你可以看到一些电动汽车在北方气候的冬天挣扎。当你打开暖气的时候,它真的会消耗电池,所以这是我们的客户试图更好地处理整个系统的一个方向。”

所有这些都构成了系统级的挑战。

“当你接近东西时,你在系统设计中拥有所有这些不同的交互设备,现在你真的不知道你在模拟它之前真的不知道你有什么复杂的事情,”凯莉说。“你需要大图片,因为某些互动你不能在数学上真正计算了。有太多的动力部分,所以说话。模拟不再是奢侈品。你必须拥有它。另外,电池本身相对于温度和充电状态是非常非线性的,这是电池中仍然可用的内部能量的反射以供电或抛光。还有其他非线性效果。因此,在系统级别,一切都在意外的操作区域驾驶。有很多变量。你不再可以在谷仓的一侧扔一只飞镖,并猜测它在哪里。 You really need the simulation to understand it.”

该公司首席执行官斯蒂芬•克罗舍(Stephen Crosher)说,这些挑战可能为更先进的技术打开大门,比如芯片上的监控,将其与热保护带捆绑在一起可以让用户延长电池的寿命Moortec。“无论你是想让手机多播放15分钟,还是因为它是一辆电动汽车,你都要尽量降低电池的耗电量,我们所能做的任何事情都将不断增加用户体验。”

它们还将门口打开到一系列从未被考虑过的汽车,这些材料正在电池周围使用。

“传统上,人们使用硅来制作电力电子产品,但最近,他们开始转向宽带隙半导体材料,这些材料具有出色的特性,使它们更适合于高电压、高功率电子产品,”格雷厄姆·贝尔(Graham Bell)说Silvaco。“碳化硅和氮化镓是街区上的新人。”

增长预测SIC.反映出对这些物质变化的需求。

“接下来的5或7年的CAGR约为30%,主要由混合电子和EV车辆电子产品驱动,”贝尔说。“这涵盖了一堆基础设施的不同碎片,包括电源单元,从墙壁的电源转换器,直流电源充电。还有一些电源转换电子产品正在进行。另一个使用领域是驱动汽车中的伺服电机的控制电子设备。And, of course, there’s the other related to actual power regulation, the sort of metering up the current at the right way, the right time, to the different parts of the car, including the motors and all of the other electronics,” he said.

结论
在一天结束时,未来10年将是一个激动人心的刺绣,所有在半导体和汽车生态系统中都能看到汽车行业如何变化,以及哪些公司将作为获胜者出来的,导师的僧侣说。

“当我们观察世界上正在发生的活动时,很明显,这些公司能够理解、掌握并给予不同学科之间的连接适当的重要性电气、电子和机械,从一开始,不继续孤立的做事方式的汽车工业在很大程度上已经做了几百年来,这些公司有更好的机会去赢,不管是人类驱动电动汽车,或4级或5级电动汽车,”他说。“连接在这些不同领域的我们如何设计这些车辆,你如何生产这些汽车和你将如何使用这些工具的经验,他的所有必须连接的方式讨论的一部分,不是孤立的。”



3评论

Michael D. Bakke. 说:

伟大的文章,提到了许多优秀的积分,我同意对我们的未来至关重要。我很想找到自动化设备的实施控制器如何工作?类似于用于管理和控制游乐园游乐设施和机场设备的东西。我不认为这些工具将根据呈现的电池问题解决。但也许最小化电池的使用只有系统启动和存储器备份。

布莱恩凯利 说:

事实证明,它是实现“全部”外围控制器的直接过程,无论其应用,例如,执行电压,电流和SOC和温度监控和控制。但是一个人甚至可以超越这一点。接下来可以在可以采用感兴趣的其他设计特征的“系统级”模型内实现整个电池组+ BMS(伴随其谨慎的热液冷却系统)。例如,牵引力逆变器驱动器和电机(IPM或感应电机),辅助电源模块,车载充电模块,HVAC负载等(因此可以覆盖进入游乐园骑行的应用程序等)。诚实地说,工程师-2-工程师,利用SABERRD中的巨大模型库和强大的模拟器,可以通过虚拟原型来完成所有这些并获取答案,该答案是作为有效的可执行规范。此外,仿真允许对电池BMS和整体系统设计内所有可能的变体和故障进行无痛调查。可以提前调查不同拓扑(例如Cell-2-Cell平衡方案)的实施,这允许在真实的硬件原型可用之前改进。这减少了开发时间并有助于确保第一个硬件原型将是强大的。或者,如果硬件原型可用,则其作为虚拟原型的捕获将允许彻底调查,以帮助减少保修回调并执行功能安全分析。功能性安全问题是至关重要的,例如,如果电机轴突然锁定,则居民电感能量必须去某个地方。 Can verify if will wipe out the high-side drivers in the motor inverter and investigate design changes to safely shuttle that inductive kick-back. Needless to say, virtual smoke is much easier to deal with. Hope this helps answer your question…

John Humphrey 说:

我认为储存这么多的能量和电池的重量是主要的问题,如果电池可以在你开车时充电,电池可以更小更轻

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