[汽車創(chuàng)新三大驅(qū)動(dòng)力]系列之一:解決電動(dòng)化和電池測(cè)試挑戰(zhàn)的方法探討

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電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化以及它們獨(dú)特的測(cè)試挑戰(zhàn)和解決方案，正在驅(qū)動(dòng)整個(gè)汽車行業(yè)新一輪革命。本系列文章的討論順序是電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化，智能化雖然放在最后但依然同樣重要，例如自動(dòng)駕駛。探討這三個(gè)趨勢(shì)，從第一個(gè)驅(qū)動(dòng)力開始——電動(dòng)化和電池。

圍繞電動(dòng)汽車和電池的最大問題之一，是如何提高單次充電的容量和續(xù)航里程。而圍繞續(xù)航能力有一些關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，同樣圍繞電池的效率、加速和快速充電能力也有一些關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。我們今天看到的趨勢(shì)是鋰離子電池，但在未來，我們將看到向固態(tài)的轉(zhuǎn)變。這主要是由固態(tài)電池帶來的重量減輕和密度增加所推動(dòng)的，而重量是影響車輛續(xù)航能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。

距離VS持續(xù)時(shí)間：對(duì)電池性能來說，哪個(gè)更重要？ 

為了提高單次電池充電的續(xù)航能力，需要增加能量容量，有兩種潛在的方法可以做到這一點(diǎn)。 第一，可以增加車輛中每個(gè)電池組的電池單元數(shù)量，但由此也會(huì)帶來車輛的價(jià)格和重量增加，這對(duì)續(xù)航能力和消費(fèi)者來說都不是好事。 第二，可以增加以每小時(shí)瓦特為單位的電池能量密度，事實(shí)上，這也是目前業(yè)界正在追求的道路。

市場(chǎng)在考慮提高電池續(xù)航能力時(shí)，還采取了另一種方法，即從傳統(tǒng)的電池-模塊-電池組的方法演變，完全跳過模塊，直接從電池到電池組，從而減輕車輛的重量。 此外，還需要在電池組中的能量與如何有效地將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際推動(dòng)車輛前進(jìn)的能量之間進(jìn)行有效的能量轉(zhuǎn)換，這就是牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

在電池改進(jìn)方面，正在研究的三個(gè)主要事項(xiàng)是增加每小時(shí)的瓦特?cái)?shù)，從電池模塊包中移除模塊，完全跳過模塊，以及有效的能量轉(zhuǎn)換。 那么，在這三個(gè)方面最大的挑戰(zhàn)是什么？哪一個(gè)面臨的挑戰(zhàn)最大？首先讓我們看一下電池的屬性。

電動(dòng)汽車的五個(gè)電池屬性

在電池中，有五個(gè)主要屬性需要考慮。

●   能量密度

●   成本

●   為車輛充電和供電的速度

●   電池壽命

●   安全性

汽車應(yīng)用對(duì)電池的獨(dú)特要求包括某些設(shè)計(jì)上的考慮，這些考慮超出了消費(fèi)電子產(chǎn)品的要求。 例如，汽車應(yīng)用有更嚴(yán)格的技術(shù)要求，如電池壽命需要持續(xù)10~15年，還需要能夠在-30~52 ℃的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。 最后，它們的成本應(yīng)該低于每千瓦時(shí)一百美元。 單一的電池技術(shù)或化學(xué)成分要達(dá)到以上這五個(gè)屬性的所需水平，將是非常具有挑戰(zhàn)性的。

鋰離子電池的最大缺點(diǎn)是容易過熱，在非常高的電壓下容易損壞。 在電池的使用壽命中，能量?jī)?chǔ)存能力也會(huì)減少。未來，當(dāng)我們轉(zhuǎn)向固態(tài)電池時(shí)，其中一些權(quán)衡因素將不再是一個(gè)問題。

圍繞動(dòng)力系統(tǒng)和電池的測(cè)量挑戰(zhàn)

在動(dòng)力系統(tǒng)方面，電動(dòng)馬達(dá)的功率和效率是評(píng)估和與電池存儲(chǔ)相互作用的決定性變量，它們決定了電動(dòng)汽車的里程和續(xù)航能力。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，一些特定的測(cè)量，如機(jī)械測(cè)量、DQ測(cè)量、DQ0測(cè)量以及電氣測(cè)量，對(duì)確定其能量轉(zhuǎn)換效率非常重要。在電池方面，不同的測(cè)試方法是針對(duì)電池級(jí)、模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)而開發(fā)的。 一旦把它們打包，用于電池級(jí)的相同儀器也可以用于系統(tǒng)級(jí)。 從電池的角度來看，一些常見的測(cè)量方法是圍繞著內(nèi)阻測(cè)量（這是一個(gè)直流測(cè)量）、開路電壓（這是在靜置一段時(shí)間后，電池兩端的電壓測(cè)量）。除了這些鋰離子電池的特征，還有泄漏電流、充電和放電脈沖等。

汽車系統(tǒng)測(cè)量的挑戰(zhàn)

電池制造商正致力于提高電池的壽命，減少充電時(shí)間和提升能量密度。因此，當(dāng)我們考慮電池組水平時(shí)，有一些汽車測(cè)試項(xiàng)比其他測(cè)試項(xiàng)更為重要，例如使用Keithley 2400系列SMU進(jìn)行母線焊接測(cè)試。當(dāng)我們把不同的電池放在一起時(shí)，我們需要檢查不正確的焊接，因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生過多的熱量，從而導(dǎo)致電池性能不佳，甚至失效。然后是溫度和環(huán)境測(cè)試，以及自放電測(cè)試。電池管理系統(tǒng)是一種智能系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)電池組的充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)的測(cè)試需要滿足標(biāo)準(zhǔn)。

符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

要想大幅擴(kuò)大電動(dòng)汽車市場(chǎng)，僅靠電池技術(shù)的進(jìn)步是不夠的。政府法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的，此外，還需要完善配套充電基礎(chǔ)設(shè)施，以減少司機(jī)對(duì)車輛行駛里程的焦慮。就泰克而言，我們是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織的成員，并積極參與這些新興測(cè)量科學(xué)的進(jìn)一步研究。例如，泰克是JEDEC委員會(huì)、JC-70、70.1、70.2工作組的成員。最近在APEC 2022上，泰克提交了一篇關(guān)于DQ0的三相電機(jī)論文，使用MSO5B系列評(píng)估電機(jī)機(jī)械性能的關(guān)鍵測(cè)量方法。新的測(cè)量方法正在設(shè)計(jì)和規(guī)范中，泰克與行業(yè)合作伙伴和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)密切合作，以確保我們能夠準(zhǔn)確可靠地測(cè)量所有這些領(lǐng)域。

根據(jù)行業(yè)估計(jì)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2030年，電池市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以約30%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，達(dá)到約4,000千兆瓦時(shí)的產(chǎn)能——相當(dāng)于未來10年新增約90個(gè)千兆工廠。