EV 電池設計創(chuàng)新：擴大續(xù)航里程、延長電池壽命

電動汽車（EV）電池技術(shù)不斷推陳出新，成為了支撐電動交通突飛猛進的關鍵汽車技術(shù)之一。2022 年，EV 電池組的平均成本為 153 美元/kWh，相當于 15 年間下降了 90%。

展望未來，汽車行業(yè)預計，鋰離子電芯的需求會以每年 33% 的速度增長，在 2030 年之前達到 4700 GWh。

更實惠的 EV 電池有助于盡早平抑 EV 和內(nèi)燃機汽車之間的價差。然而，由于原材料、供應鏈和能源成本不斷上升，電芯制造又是一個需要耗費大量能源的過程，因此控制電池成本始終存在巨大挑戰(zhàn)。

EV 電池價格快速下跌，需求卻一路走高，如何在其間找到平衡點，技術(shù)創(chuàng)新需要發(fā)揮重要作用。拋開成本壓力不談，電池技術(shù)必須繼續(xù)升級，才能支持電動交通生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)發(fā)展。

EV 電池的角色演變

圖 1 概述了電動交通生態(tài)系統(tǒng)以及生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展對電池產(chǎn)生的影響。

圖 1：EV 電池在電動交通生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關鍵作用

圖右，汽車制造商和電池開發(fā)商必須生產(chǎn)出滿足消費者續(xù)航里程期望的 EV 電池。在宏觀層面上，容量更大、使用壽命更長的電池有助于汽車電氣化與真實應用的融合，從而實現(xiàn)電池循環(huán)，減少浪費和污染。

圖左是日新月異的智能電網(wǎng)，它描繪了電動汽車電池如何由從充電站汲取能量的單向“耗電裝置”轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向或車輛到電網(wǎng)（V2G）電源。在深入探討如何提升電池性能的時候，我們會進一步介紹 V2G。

電芯、模塊和電池組級別的電池性能設計

EV 電池電芯可能采用圓柱形、軟包和棱柱形等不同外形。從根本上講，無論采用哪種外形，電芯的初始開發(fā)階段都很相似。電芯開發(fā)人員必須在研發(fā)過程中完成電芯化學成分和材料的表征、選擇和優(yōu)化。

要想達到用戶預期的續(xù)航里程和快充速度，滿足未來的 V2G 功能需求，開發(fā)人員需要從電芯化學這個層面著手。按照電池性能技術(shù)指標，電芯開發(fā)人員需要分析各種電化學混合物的性能（見圖 2 示例）。

圖 2：電芯化學成分不同，性質(zhì)和性能也會各異

現(xiàn)代電池測試實驗室必須一次性處理成千上萬顆被測電芯，準確測量不同電芯設計的實際性能，才能知道它們是否達到了設計目標（見圖 3）。

圖 3：開發(fā)新電芯時必須考慮不同的電芯特性，因為電芯特性由其應用決定

在設計和測試電池的過程中，如果電芯最終是組裝成模塊或者電池組為車輛供電，那么電池設計經(jīng)理必須考慮如何兼顧不同應用的不同測試參數(shù)。電池的應用涵蓋兩輪摩托車、轎車、運動型多功能車和重型運輸車輛。面向不同最終用戶市場的電池需要滿足不同的需求，需要采用不同的測試設置。因此，測試環(huán)境必須能夠支持所需的電壓、通道和安全要求（見圖 4）。

要想驗證電池在電芯、模塊和電池組各個級別的性能，還需要進行如下一些測試：

·        記錄溫度值，以便研究電芯的電氣性能和熱性能的相互影響。

·        檢查機械連接和模塊性能。

·        電池與車輛的電池管理系統(tǒng)（BMS）通信的情況。

圖 4：開發(fā)周期中的各個階段都需要配備有助于驗證電池性能的測試環(huán)境

自動化管理在電池測試實驗室的作用日益重要

圖 5 簡單描述了電池測試實驗室中不同的角色及其任務。由于被測器件的數(shù)量非常之大，實驗室管理人員無法繼續(xù)憑借手動跟蹤和電子表格來管理現(xiàn)代電池測試實驗室。

自動化實驗室運作不僅能確保高效的時間和資源管理，還能實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的跟蹤和追溯，以及提高測試吞吐量。如果測試設施龐大、測試站點眾多，實驗室管理人員可以借助基于云的實驗室運作管理工具來管理和控制電池測試操作狀態(tài)。他們還可以把采集自被測器件的測試數(shù)據(jù)用于改進設計。

圖 5：現(xiàn)代電池測試實驗室需要同時監(jiān)管成千上萬個被測器件，因此實驗室的數(shù)據(jù)流和管理至關重要

確保從藍圖到生產(chǎn)階段的質(zhì)量穩(wěn)定

一旦新電芯設計可以投入量產(chǎn)，它就進入了快速發(fā)展的大規(guī)模生產(chǎn)階段。麥肯錫的一份報告稱，如果電芯需求繼續(xù)以每年 30% 的速度增長，那么按照當前的產(chǎn)能，全球市場還需要建設另外 90 座超級工廠，才能滿足未來十年的汽車電動化需求。

美洲和歐洲追隨中國和韓國的步伐，在更靠近終端市場的地方制造電動汽車電池。這些國家投入數(shù)十億美元用于擴大超級工廠的產(chǎn)能，圖 6 展示的就是這個復雜的制造工藝。

圖 6：電芯循環(huán)和老化是電芯制造這一復雜工藝當中耗時最長的階段

超級工廠在設立之前要解決許多問題，包括位置、預算、原材料獲取、制造系統(tǒng)和人力資源。不過，我們的重點是如何從電芯層面開始構(gòu)建更好的電池。

對于大批量制造來說，吞吐量是反映生產(chǎn)效率的關鍵指標。在鋰離子電芯制造工藝當中，電芯化成和老化這兩個工序所耗的時間最多。在電芯老化工序中，制造商必須測量電芯的自放電速率，即使電芯并沒有連接任何器件。這樣做的目的是挑揀出自放電特性異?；蜃苑烹娺^大的不良電芯，因為這種“壞”電芯會對模塊和電池組的性能產(chǎn)生不利影響。

電芯的自放電特性可能需要幾天、幾個星期乃至幾個月才能展現(xiàn)出來。但是，在時間和成本都相當敏感的制造環(huán)境中，過去那種花很長時間去跟蹤自放電的方法非常不切實際。

一部分制造商現(xiàn)在使用一種相對較新的恒電位測量方法來直接測量電芯內(nèi)部的自放電電流。過去的方法需要等上好幾天甚至好幾個星期來記錄電芯的自放電性能，新方法一般只需要幾個小時就能完成測試，因此為這種至關重要的質(zhì)量檢查既節(jié)省了時間，又節(jié)省了寶貴的空間。

新技術(shù)帶給我們的是充電速度更快、性能更強大的電芯。這些電芯要進行循環(huán)測試，通過電芯樣本的測試結(jié)果來判斷電芯的循環(huán)壽命以及充電速率對電芯壽命的影響。隨著電芯容量快速增長，開發(fā)商和制造商需要提供和消耗更大的電流。

為了避免昂貴的電力消耗，現(xiàn)代電芯循環(huán)器采用再生電力，把電芯放電過程中再生的電力回收到電網(wǎng)，從而降低凈能耗和運營成本。這一過程也減少了電子器件產(chǎn)生的熱量，降低了生產(chǎn)設施的散熱需求。

經(jīng)得起未來考驗的電池測試技術(shù)

隨著汽車電動化持續(xù)發(fā)展，電池開發(fā)商和制造商必須在電池測試能力方面先發(fā)制人。他們需要在設備方面做好規(guī)劃，以便處理更大的電芯容量、更高的供應/消耗電流，并且能利用再生電力來降低運營成本。

有些制造商采用不受位置限制的模塊化“超級測試艙”來降低投入到電池測試當中的時間和成本，這種方式同時還支持他們根據(jù)需求快速完成部署。

這些振奮人心的創(chuàng)新無疑將有助于進一步擴大電池的開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模，為電動汽車的采用提供動力。