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

電池能量需要平衡，存儲時間要長，并實時輸送到最需要的地方。這是一個巨大的挑戰(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行監(jiān)控和管理，以確保各個電池的老化程度一致，充電正常。

電機取代內(nèi)燃機只是復雜技術轉(zhuǎn)變的第一步。事實證明，增加車輛續(xù)航里程，并減少充電時間，是一個更為棘手的挑戰(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，同時也使其更適應快充。英飛凌的高級工程師Felix Weidner說：“現(xiàn)在，有人在負極混合了一點硅（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，但一個鋰離子需要相當多的石墨烯。我們的想法是，采用硅會得到更大的能量密度，因為硅可以捕捉更多的鋰離子。但它也有缺點。它不太穩(wěn)定，而且會膨脹得很厲害，否則就使用100%的硅了。”

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)抬高了電池和電動車的價格，并促使全球?qū)ふ腋S富和更易使用的新材料。

Argonne儲能科學合作中心主任兼儲能研究聯(lián)合中心副主任Venkat Srinivasan說：“成本是目前限制人們購買電動車的原因。我們估計，今年電池的成本約為$130/kWh，而一輛電動車一般需要90kWh。我們認為目標需要達到$65/kWh左右。但看起來2022年將是電池平均成本上升的第一年（盡管不是對每個公司都是如此，因為有些公司有長期合同），因為鈷和鎳的短缺。”

圖1：全球電動車鋰電池需求預測（資料來源：Argonne National Laboratory）
僅僅增加電池數(shù)量是一種昂貴的選擇，通常是豪華車會選擇的，在這個細分市場中某些車型續(xù)航能力會達到500英里以上。更多或更大的電池在充電時間上也有優(yōu)勢，因為給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，因為充電最耗時的部分是在幾乎充滿的狀態(tài)時。
但是，由于其他因素，續(xù)航能力也會有所不同。例如，風阻已經(jīng)成為車輪設計的關鍵。環(huán)境溫度也會影響續(xù)航能力，山地等地形也會影響。
Consumer Reports 2019年的一項實地測試顯示，在寒冷的氣候下，電動車的續(xù)航能力幾乎會減少一半。第二年，Car and Driver雜志測試特斯拉Model 3時調(diào)高了空調(diào)和座椅加熱的溫度，結(jié)果報道說續(xù)航能力下降了60英里。電機不會像內(nèi)燃機那樣產(chǎn)生熱量，所以它基本上就像在電池上安裝了一個小烤箱。在炎熱的天氣里，空調(diào)也有類似的影響。
電池充電越頻繁，壽命也會越來越短。這通常表現(xiàn)為隨著時間的推移，最大續(xù)航能力的減少，類似于手機電池老化的情況。但如果更換車輛的電池，為了保持整個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，電池預算是固定的，新的電子器件需要符合該預算。
西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司自動駕駛和ADAS高級總監(jiān)David Fritz說：“我們的目標是盡量減少充電次數(shù)，因為更換電池的成本把消費者嚇跑了。我們能讓系統(tǒng)消耗的電量越少，驅(qū)動電機的效率就越高。我們可以使用復合材料來減輕重量，但我們能介入的部分有限。下一個巨大的挑戰(zhàn)是了解所有電子器件的用途，以及它們的能耗是多少。我們可以通過關閉這些設備并將其置于低功率模式來進行控制。我們必須要在從L3過渡到L4、L5之前完成這項任務?！?

電池管理

從純粹的功能角度來看，電池管理是車廠下一個重要的差異化因素。雖然車廠將繼續(xù)集中在以華麗的功能進行差異化，但涉及到電機和變速箱時，其獨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。但這僅僅是個開始。未來，電池架構(gòu)預計將變得更加復雜，可能涉及不同任務的專用電池和新材料。預計也會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)有了一些衡量標準。一個是SoC（State of Charge），是指在任何特定時刻電池中的能量。第二個是SoH（State of Health），它指電池容量的可用百分比。
英飛凌的系統(tǒng)應用工程師Scott Winder說：“SoH會隨著時間的推移而改變。這有幾個因素在起作用。一個是當在電池接近其最大容量時增加充電，在電池內(nèi)就會發(fā)生化學變化。如果總是充滿，就會影響電池壽命。這也是手機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，你可能會充到300英里。還有由于電阻而產(chǎn)生的熱量問題。當電量是空的狀態(tài)時，給它充電比較容易，但幾乎是滿電時，就比較困難了。所以你充電時的開始階段會充的比較快，但隨著溫度的升高充電速度也會降下來?！?br /> 因為電池可能過熱并引起火災，所以電池也有安全方面的問題。Winder說：“SoH是最重要的指標之一，因為當車輛起火時，是從一個電芯開始的（除非是事故損壞了多個電池）。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，但有時熱量太高導致擴散到其他部分?！?br /> 電動車公司特別關注電池內(nèi)部的熱問題，這是引進新材料的挑戰(zhàn)之一。一切都需要在極端條件下進行長期測試，在汽車應用的情況下，這可能將長達五年之久。
Fraunhofer IIS自適應系統(tǒng)工程部的設計負責人Roland Jancke說：“你需要監(jiān)控電池，你需要確定每個電池的狀態(tài)。雖然會有備用電池，但這些系統(tǒng)需要決定何時切換以及健康狀況如何。所以你需要一個管理系統(tǒng)和某種電池管理芯片。為了達到這個目標，你需要全面的模擬，你可以向整個電池組注入故障，看看如果其中一個電池出現(xiàn)故障會發(fā)生什么，并看看BMS會做什么。它是否會正確地監(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，以最小的損耗為關鍵功能提供足夠的能量，同時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性冷卻技術，將熱量通過金屬傳導到底盤。還有人在使用液體冷卻，使用導電液體。如果你把電池分散開來，集成到底盤的不同位置上，那么在一個區(qū)域的集中度就會大大降低。另一面是，當外界溫度很低時，就需要加熱電池，以便它們能夠以最高效率運行。如果電池是分散的，就需要在不同的點加熱它們?！?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。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，啟動車輛和查看備用攝像頭的反應時間需要是即時的，而啟動信息娛樂系統(tǒng)的一兩秒延遲一般不會被注意到。這是否會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、船舶和飛機等提供的能量密度是有限的。人們開始談論像氫這樣的燃料，它是碳中性的，或者像氨這樣的無碳燃料。當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，將會看到其他技術發(fā)揮的作用。但對于乘用車、手機、筆記本電腦、手表等，可能會有某種專用電池?！?

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

低功耗設計

當然，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。現(xiàn)在，這都是定制的流程。其中有些是法規(guī)，有些是電動車存在的現(xiàn)實。但是，即使電池越來越先進，仍然會有數(shù)千個不同的電子子系統(tǒng)和芯片，而且它們都將被連接。這絕對會對電量造成消耗。”

與所有復雜的電子產(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。

西門子的Fritz說：“這些變化堪比從多個分立芯片向SoC的過渡。我們在系統(tǒng)芯片中降低功耗的方法是使用時鐘門控并在需要時進行開關。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在做獨立的和單獨的任務，他們不可能將其打開和關閉。我們正在與七個不同的車廠合作，每家都在采取非常不同的方法。其中一家正在研究一個L4自動駕駛解決方案，它需要大約4kW的功率。我們能夠?qū)ν瑯拥慕鉀Q方案進行建模，基于最先進的技術，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備，整個系統(tǒng)是50W，而不是4kW。這對續(xù)航能力和環(huán)保性都有影響，因為一次充滿電后的使用可以節(jié)省大約7磅CO2?！?

電池化學、電池管理和電池設計正變得越來越復雜。這個領域的圣杯仍然是一個能夠快速充電、續(xù)航里程可達到數(shù)十萬英里的電池，且既安全又相對便宜。與大多數(shù)復雜的電子產(chǎn)品一樣，這需要權(quán)衡，需要一些復雜的架構(gòu)，以及不斷重新思考車輛的電力傳輸和存儲系統(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)人從未關注過的地方，還有很多創(chuàng)新和實驗正在進行。

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

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

[參考文章]

Battery Management Getting Competitive For EVs — Ed Sperling