EV 電池設(shè)計(jì)創(chuàng)新：擴(kuò)大續(xù)航里程、延長(zhǎng)電池壽命

電動(dòng)汽車（EV）電池技術(shù)不斷推陳出新，成為了支撐電動(dòng)交通突飛猛進(jìn)的關(guān)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(dāng)于 15 年間下降了 90%。

展望未來(lái)，汽車行業(yè)預(yù)計(jì)，鋰離子電芯的需求會(huì)以每年 33% 的速度增長(zhǎng)，在 2030 年之前達(dá)到 4700 GWh。

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

EV 電池價(jià)格快速下跌，需求卻一路走高，如何在其間找到平衡點(diǎn)，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(jí)，才能支持電動(dòng)交通生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展。

EV 電池的角色演變

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

圖 1：EV 電池在電動(dòng)交通生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)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(fèi)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(zhǎng)的電池有助于汽車電氣化與真實(shí)應(yīng)用的融合，從而實(shí)現(xiàn)電池循環(huán)，減少浪費(fèi)和污染。

圖左是日新月異的智能電網(wǎng)，它描繪了電動(dòng)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(shí)候，我們會(huì)進(jìn)一步介紹 V2G。

電芯、模塊和電池組級(jí)別的電池性能設(shè)計(jì)

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(wú)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(guò)程中完成電芯化學(xué)成分和材料的表征、選擇和優(yōu)化。

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

鈦酸鋰的特點(diǎn)是安全性和低溫性能好，使用壽命長(zhǎng)。目前開發(fā)人員在進(jìn)行提高比能量和降低成本方面的工作。

NMC 的整體性能良好，具有出色的比能量。作為 EV 優(yōu)先考慮的對(duì)象，這種電池的自熱速率非常低。

圖 2：電芯化學(xué)成分不同，性質(zhì)和性能也會(huì)各異

現(xiàn)代電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室必須一次性處理成千上萬(wàn)顆被測(cè)電芯，準(zhǔn)確測(cè)量不同電芯設(shè)計(jì)的實(shí)際性能，才能知道它們是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)（見圖 3）。

圖 3：開發(fā)新電芯時(shí)必須考慮不同的電芯特性，因?yàn)殡娦咎匦杂善鋺?yīng)用決定

在設(shè)計(jì)和測(cè)試電池的過(guò)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(shè)計(jì)經(jīng)理必須考慮如何兼顧不同應(yīng)用的不同測(cè)試參數(shù)。電池的應(yīng)用涵蓋兩輪摩托車、轎車、運(yùn)動(dòng)型多功能車和重型運(yùn)輸車輛。面向不同最終用戶市場(chǎng)的電池需要滿足不同的需求，需要采用不同的測(cè)試設(shè)置。因此，測(cè)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(yàn)證電池在電芯、模塊和電池組各個(gè)級(jí)別的性能，還需要進(jìn)行如下一些測(cè)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(jī)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(gè)階段都需要配備有助于驗(yàn)證電池性能的測(cè)試環(huán)境

自動(dòng)化管理在電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的作用日益重要

圖 5 簡(jiǎn)單描述了電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中不同的角色及其任務(wù)。由于被測(cè)器件的數(shù)量非常之大，實(shí)驗(yàn)室管理人員無(wú)法繼續(xù)憑借手動(dòng)跟蹤和電子表格來(lái)管理現(xiàn)代電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作不僅能確保高效的時(shí)間和資源管理，還能實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的跟蹤和追溯，以及提高測(cè)試吞吐量。如果測(cè)試設(shè)施龐大、測(cè)試站點(diǎn)眾多，實(shí)驗(yàn)室管理人員可以借助基于云的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作管理工具來(lái)管理和控制電池測(cè)試操作狀態(tài)。他們還可以把采集自被測(cè)器件的測(cè)試數(shù)據(jù)用于改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖 5：現(xiàn)代電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室需要同時(shí)監(jiān)管成千上萬(wàn)個(gè)被測(cè)器件，因此實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)流和管理至關(guān)重要

確保從藍(lán)圖到生產(chǎn)階段的質(zhì)量穩(wěn)定

一旦新電芯設(shè)計(jì)可以投入量產(chǎn)，它就進(jìn)入了快速發(fā)展的大規(guī)模生產(chǎn)階段。麥肯錫的一份報(bào)告稱，如果電芯需求繼續(xù)以每年 30% 的速度增長(zhǎng)，那么按照當(dāng)前的產(chǎn)能，全球市場(chǎng)還需要建設(shè)另外 90 座超級(jí)工廠，才能滿足未來(lái)十年的汽車電動(dòng)化需求。

美洲和歐洲追隨中國(guó)和韓國(guó)的步伐，在更靠近終端市場(chǎng)的地方制造電動(dòng)汽車電池。這些國(guó)家投入數(shù)十億美元用于擴(kuò)大超級(jí)工廠的產(chǎn)能，圖 6 展示的就是這個(gè)復(fù)雜的制造工藝。

圖 6：電芯循環(huán)和老化是電芯制造這一復(fù)雜工藝當(dāng)中耗時(shí)最長(zhǎng)的階段

超級(jí)工廠在設(shè)立之前要解決許多問(wèn)題，包括位置、預(yù)算、原材料獲取、制造系統(tǒng)和人力資源。不過(guò)，我們的重點(diǎn)是如何從電芯層面開始構(gòu)建更好的電池。

對(duì)于大批量制造來(lái)說(shuō)，吞吐量是反映生產(chǎn)效率的關(guān)鍵指標(biāo)。在鋰離子電芯制造工藝當(dāng)中，電芯化成和老化這兩個(gè)工序所耗的時(shí)間最多。在電芯老化工序中，制造商必須測(cè)量電芯的自放電速率，即使電芯并沒(méi)有連接任何器件。這樣做的目的是挑揀出自放電特性異常或自放電過(guò)大的不良電芯，因?yàn)檫@種“壞”電芯會(huì)對(duì)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(gè)星期乃至幾個(gè)月才能展現(xiàn)出來(lái)。但是，在時(shí)間和成本都相當(dāng)敏感的制造環(huán)境中，過(guò)去那種花很長(zhǎng)時(shí)間去跟蹤自放電的方法非常不切實(shí)際。

一部分制造商現(xiàn)在使用一種相對(duì)較新的恒電位測(cè)量方法來(lái)直接測(cè)量電芯內(nèi)部的自放電電流。過(guò)去的方法需要等上好幾天甚至好幾個(gè)星期來(lái)記錄電芯的自放電性能，新方法一般只需要幾個(gè)小時(shí)就能完成測(cè)試，因此為這種至關(guān)重要的質(zhì)量檢查既節(jié)省了時(shí)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(qiáng)大的電芯。這些電芯要進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，通過(guò)電芯樣本的測(cè)試結(jié)果來(lái)判斷電芯的循環(huán)壽命以及充電速率對(duì)電芯壽命的影響。隨著電芯容量快速增長(zhǎng)，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(guò)程中再生的電力回收到電網(wǎng)，從而降低凈能耗和運(yùn)營(yíng)成本。這一過(guò)程也減少了電子器件產(chǎn)生的熱量，降低了生產(chǎn)設(shè)施的散熱需求。

經(jīng)得起未來(lái)考驗(yàn)的電池測(cè)試技術(shù)

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

有些制造商采用不受位置限制的模塊化“超級(jí)測(cè)試艙”來(lái)降低投入到電池測(cè)試當(dāng)中的時(shí)間和成本，這種方式同時(shí)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(wú)疑將有助于進(jìn)一步擴(kuò)大電池的開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模，為電動(dòng)汽車的采用提供動(dòng)力。

作者：電動(dòng)交通倡導(dǎo)者、是德科技行業(yè)和解決方案營(yíng)銷經(jīng)理Hwee Yng YEO