使电池更致密、更安全

来源:众壹云 发布日期:2021-10-11 15:09

在电动汽车需求快速增长和半导体行业开发的大量知识的推动下,电池技术正在迅速改进。

电动汽车 (EV) 市场正处于快速上升的轨道上,预计全球销量将增长 12 倍以上,达到 3100 万辆以上。事实上,根据德勤的数据,到 2030 年,电动汽车将占新车销量的近三分之一,高于 2020 年的约 250 万辆。除了这种转变,消费者对更好的车辆性能和可持续性的需求意味着 OEM 和汽车生态系统必须提供更好的电池和电子设备来管理它们。

电动汽车的历史可以追溯到 130 多年前。1800 年代电池和电动机的一系列突破导致大约 1890 年美国第一辆电动汽车上路。到 1900 年,电动汽车约占道路上所有车辆的三分之一,并继续稳步增长十多年来,直到大规模生产的基于内燃机的福特 Model-T 超过了其电动同行。

技术进步以及环境和成本问题的另一个融合再次将电动汽车带到了汽车发展的前沿。

图 1:更好、更便宜的电池可能会有所作为。一辆 Riker 电动汽车,大约 1900 年。

图 1:更好、更便宜的电池可能会有所作为。一辆 Riker 电动汽车,大约 1900 年。资料来源:史密森尼/美国历史国家博物馆

下一代电池旨在针对成本、碳足迹和每次充电范围等电动汽车采用障碍。这需要先进的电池生命周期管理和数据收集/分析,以实现可持续性目标,以及再利用和回收。由于半导体和汽车电池之间的密切联系,半导体生态系统参与者处于有利地位,可以在下一代电池的发展中发挥作用。

Synopsys研发高级经理 Søren Smidrup 表示:“驱动电池和半导体器件的物理原理相同。“这是相同的基本方程。我们有时将我们所做的模拟称为“从头开始”模拟,意思是从一开始。从模拟的角度来看,我们解决的所有量子力学方程都是相同的。应用领域是不同的,所以需要很多领域知识,但是我们试图使用模拟这个能力来平衡邻接,只使用驱动这个的基本物理定律。因此,虽然电池和 EDA 在物理学上看起来很遥远,但它们是相邻的。”

最终目标是提高电池的能量密度,这归结为选择合适的化学物质。化学在使用相同尺寸的电池单元时提供了不断增加的存储容量。

Siemens Digital Industries Software新移动性总监 Puneet Sinha 表示:“如今,这一追求在行业中仍在继续,并且随着汽车生态系统中的公司的参与,该领域取得了很多进步。” “即使在过去的 10 年里,电池的能量密度也几乎增加了两倍。这意味着在相同重量的电池中,我们投入的能量是其三倍。”

这是通过改进每个电池内的化学物质来实现的,这已经得到了显着改善,这解释了为什么今天提供约 250 英里行驶里程的电动汽车与 2010 年的更短行驶里程的价格点相同。例如,日产聆风11 年前有大约 100 英里的范围。Sinha 说,今天的日产 Leaf 以相同的价格拥有 2 倍的续航里程。

在阳极和阴极的化学结构中,需要改进以提高电池的能量密度。“过去,一些石墨基或碳基材料常用于阳极,而一些镍锰钴的组合用于阴极以增加能量密度。目前,业界,特别是在供应商方面已经确定的一件事是,需要将石墨作为阳极之一解除化学物质的束缚。”

在这里,汽车生态系统中的各个参与者正在研究使用新材料,例如石墨形式的硅和碳的组合,作为阳极,以便在相同的空间中接受更多的锂。这是获得更高细胞能量密度的关键。但它也增加了新的挑战,因为硅会随着锂的增加而膨胀。

“想想一个董事会,它不断地膨胀和收缩,这取决于它是吸收锂还是回馈锂,”辛哈说。“由于这种收缩和膨胀,硅颗粒会开始分解或破裂,在这种情况下,能量密度下降,电池寿命开始迅速缩短。正因为如此,业界有很多活动来使硅更加坚固,以便在它收缩和膨胀时,不会出现裂纹,并且材料的完整性会在很长一段时间内继续提供高能量密度。 ”

能够在原子级别上对此进行模拟至关重要。Synopsys 的 TCAD 咨询和工程服务总监 Ronald Gull 说:“我们从原材料方面开始,研究什么类型的材料、什么类型的新想法可以在阳极或阴极上发挥作用。” “隔膜中什么样的新结构可以帮助缓解一些问题,比如基本上破坏电池的树突尖峰?或者从材料的基本物理特性的角度来看,可以使用哪种类型的电解质更有效?”

与许多复杂的设计一样,技术比以往任何时候都更多地从元素周期表中汲取灵感。电池行业的好消息是芯片行业对此进行了深入探索。

“我们可以查看元素周期表,看看发生了什么,这是我们自己的地盘,所以我们正在研究碳化硅、锗、砷化镓、磷酸盐、硼,”Gull 说。“这是我们在半导体领域开展大部分工作的地方。即使在经典电池的电池优化中,也有一些运动,我们试图更多地从碳转向硅或铝。这些原子属性会发生变化,它们也会改变行为,因此我们需要了解哪些可以真正起作用,哪些不起作用。”

目前另一个活跃的领域是替换标准电池中的钴,主要是因为它非常昂贵,但也因为它的数量有限。“这个领域有一些重要的候选者可以查看,以及它们的组合,”他说。“然后我们将目光转向离子,因为大多数电池都是围绕锂离子构建的。这是一个非常小的原子。它非常具有移动性。它非常快。但它也包括其反应性很强、易燃并可能导致爆炸的风险。因此,有研究寻找新的离子,如钠、镁,甚至镉。

固态电池也被认为是一种替代品,并且在原子水平上进行了研究,试图找出不同化学品界面上发生的事情,如何对其进行优化,以及工业如何与它们合作。

“固态电池的研究在创业界获得了大量资金,”Gull 指出。“最大的希望是我们可以转向固态电解质,摆脱液态,这将允许以相似的成本获得具有高性能的非常安全的电池,但可靠性更高——尤其是在爆炸或热问题。”

尽管如此,采用新的电池架构确实很难,因此模拟是快速尝试新材料配置的好方法。

“如果你有四五种不同成分和不同晶体结构的不同成分,探索空间就会变得非常大。你必须在不同的星座、不同的温度、不同的压力下尝试材料的组合,看看它们是如何表现的。通过以计算方式执行此操作,您可以缩小有前途的方法和有前途的材料,而无需进行实验,无需制造电池和测试 [在现实世界中],并提出新的创造性方法来为您的电池创造下一种材料,“他解释了。

电热考虑

当电池设计按比例放大到大规模电池时,电热行为开始发挥作用。每个电化学反应都会产生热量,并且随着温度升高,热量在给定区域中的传输和传播方式会增加电化学反应的速率,反之亦然。

“热量进入反应,如果温度因任何原因没有分布——可能是设计或包装——它可能会在电池的运行中产生更多的不均匀性,”辛哈说。“因此,我们必须根据材料层面发生的情况和热行为来观察电池。模拟是将所有这些联系在一起并补充测试的好方法。”

然而,查看一个电池中的电热相互作用是一回事,而在装入车辆中的电池组中则完全是另一回事,其中包装了成百上千的这些电池。

“在那里你必须管理,即使是热量,所有这些都需要如何冷却,”辛哈指出。“甚至在讨论需要处理哪些问题、需要如何冷却包装的问题之前,就存在体积问题。车上的人说,'我可以给你一个 10 厘米厚的电池组,它可以装入汽车底部。无论厚度或体积是多少,整个想法都是最大化细胞数量以最大化能量。您还必须考虑为了安全价值而必须放入电池组的结构加固。您可能需要取出电池容量才能放入需要穿过电池组的冷却液通道。你所做的一切都是你无法给予细胞的体积。这是一个非常大的包装挑战,而且一直存在。”

为了正确考虑所有这些方面,所需的工具包括 CAD、CFD、电气和结构模拟。所有这些都需要同时进行,以便在 CAD 环境中进行权衡。

福特汽车公司电气化系统工程全球总监 Charles Poon 在最近的一次演讲中表示,福特在汽车电气化过程中看到了很多机遇,以及挑战和陷阱。

“说到技术,就电极制造过程而言,您如何控制堆垛机制造的每个元素?” 他问。“它们是如何焊接在一起的,无论是圆柱形、棱柱形还是软包电池?这些步骤中的每一步对于确保质量输出都非常关键,特别是可能在电池本身内造成潜在短路的噪声因素。在 20 多年的时间里,福特一直在电池领域工作,从它的第一辆混合动力电动汽车开始,到现在的全电池电动汽车,我们学到了很多东西。在某些情况下确实需要相当多的经验,

电池管理

除了这些散热、包装和制造问题之外,还需要管理电池本身。

电池管理系统本质上是电池的大脑,它绝对至关重要,因为它必须测量每个电池的行为,从温度到电压,以及每个电池中的电荷是否平衡,等等。为了优化电池,工程团队必须确定最佳算法,然后将其引入嵌入式软件框架。

“一旦它在那里,那么你当然想在它准备好之前在硬件在环框架中测试它,”Sinha 说。

作为其中的一部分,整体电池管理系统有很多进展。今天,通常的做法是在电池顶部放置一块电路板来管理它,但无线电池管理等新技术正在发挥作用。

“从硬件的角度来看,这是非常不同的,”他解释说。“现在,您依赖于它的无线方面,而不是硬连线的实际电路板。但实际的软件仍然是一样的——使用了相同的算法和嵌入式软件。”

福特的 Poon 同意检测问题的软件开发以及缓解这些问题的能力正在不断增长。“福特对其内部电池管理软件进行了大量投资。主要目标之一是能够监控电池、所有阵列和每个单独电池的健康状况,并能够创造理想的条件来延长寿命、扩展所有功能、管理所有与之相关的热问题,以便我们可以确保在车辆的整个生命周期内安全运行。”

电池管理概念也可能影响电池的再利用或回收利用,特别是因为有人估计,当车辆退役时,电动汽车电池的寿命还剩 70%。现在的问题是,是否所有的锂离子电池都可以并且将会被回收利用。

Poon 表示,福特的电池在机械方面和化学方面都设计为能够回收利用,并且已经建立了一个新的工作实验室来专门解决这一问题。未来,这家汽车制造商计划将可回收性作为其电池制造过程中使用的输入原材料的一个重要方面。

ADI 汽车业务部技术总监 Gina Aquilano 在最近的一次演讲中表示,对回收工作的大量投资是毫无疑问的,并指出汽车生态系统正试图为废旧电池下线的海啸做好准备。下一个十年。“但鉴于电池技术和电池管理的进步,当它从电动汽车中出来时,将会有很多生命可以提供。在直接回收还是重新使用然后回收的成本权衡分析方面,有很多动态因素在起作用。有一些电池再利用流程可以为原始设备制造商或电池所有者带来价值,并帮助收回部分进入电池生产的初始成本。”

像模拟设备这样的公司一直密切关注这个领域,因为连接到电池的电子设备可以帮助实现循环目标,无论最终路径如何。

此外,在维修方面,Aquilano 指出,如果电池组中的电池出现问题,则必须决定是更换整个电池组还是只更换一个模块。无线电池管理可以显示需要更换的详细信息,例如电池组的一部分、电池组内的模块,而不是整个电池组。“以高度准确的方式监控电池,收集整个生命周期的信息,可以帮助做出这些决策,并在停机之前预测维修。”

通用汽车电气化战略和电池工程总经理蒂姆·格鲁(Tim Grewe)表示,今天正在发生这种情况。“当您进入 GM 服务中心时,我们已经展示了无线功能,它具有硬件加密,因此是网络安全的。我们可以获取这些数据,将其放入我们的云中,不仅将其用于直接服务,而且由于它具有某种区块链详细信息,因此我们将这些信息存储在云中。基于远程信息处理,我们知道锂来自哪个矿,我们知道锂的特性。我们知道它在初级生命中是如何被使用的,我们知道它在次级生命中是如何被使用的,然后我们可以将这些信息提供给回收者。现在回收商中发生的关键创新之一是他们没有将电池分解成贱金属硫酸盐,

未来

随着汽车生态系统在电气化方面的投资越来越多,人们也意识到,随着所有新的发展和技术的出现,他们不仅需要更多的人因为新项目和新车辆,而且他们还需要新的专业知识。

“这是关于材料级专业知识和电化学专业知识——以及嵌入式软件专业知识,这在那里,但在我们研究电动汽车和电池时,它更为普遍,也不例外。最后,电池技术尤其是一个领域,它不仅仅是物理问题,不同的团队需要协作,”西门子 EDA 的 Sinha 指出。

从电池团队,到白人团队,再到软件、电子和电池管理团队,他说,“如果他们不合作,最终结果真的很糟糕,因为一切都是相互依存的。有必要进行订婚,并且所有人都说非常不同的语言。虽然我们无法通过模拟和数字线程使某个人成为所有这些领域的专家,但我们可以连接不同的团队,以便他们可以根据需要进行协作以获得正确的系统。”

所有这一切都回到与半导体和相关材料的连接上。

“我们现在所做的一切都是基于围绕硅的革命,”Synopsys 的 Smidrup 观察到。“它是一个单一的元素,对一个元素属性的理解推动了整个 IT 革命。电池也是如此。但是,如果想要移动到下一代,组合的数量就会变得更多。当他们开始制造芯片时,经过 50 年的发展才达到今天的水平。今天,无论是从气候的角度还是从技术竞赛的角度来看,竞争都更加激烈,因此您需要尽一切努力取得成功。”

管理复杂性变得至关重要。“当涉及的元素如此之多时,复杂性就会变得一发不可收拾,你可以在所有条件下进行实验工作,”Smidrup 说。“这是一个模拟可以加速新材料研究的地方,特别是因为钴等许多材料都非常有毒,模拟可以取消一些可能不安全的实验。模拟还可以帮助定义我们应该探索更多的边界,以及我们不应该探索更多的边界。有时,模拟可以揭示无法跨越某些标准的潜在物理限制,并且还可以指导未来在哪里进行优化。例如,你可以指出一个理论最大值,当你接近这个最大值时,