以前汽車的電池總是當做即插即用部件，但在電動汽車上，電池的角色發(fā)生了改變。現如今，電池是電動汽車差異化關鍵，也是電動汽車中最重，同時也是最貴重的部件。

傳統(tǒng)汽車中的蓄電池，原本是一個相當簡單的零部件。但在電動汽車中，動力鋰電池組中密布各種傳感器，以監(jiān)測電池發(fā)熱狀況與老化效應，以及動態(tài)熱負荷與自愈效應。最重要的，電動汽車的動力鋰電池必須在整車架構層面進行設計開發(fā)，因為電池的運行狀況將影響到整個系統(tǒng)，而且動力鋰電池模塊的設計、組裝、維護還面對諸多困難。

“每個人都清楚，電池是電動汽車中最重要，也最有難度的部件。電池決定了一部電動汽車的重要參數，比如續(xù)航里程、成本、安全，以及充電的便宜性等，”新思科技（Synopsys）研發(fā)工程師布萊恩·凱利（BryanKelly）說，“續(xù)航里程短、成本高、電池組易出毛病，以及充電設施分布不均衡，是當前純電動汽車面對的重要困難。電池供應了能量，但它要被良好地管理與控制，這樣電動汽車其他零部件才能正常運作。”

這就是系統(tǒng)開發(fā)思維能發(fā)揮用途的地方了。“壓縮機、水泵、馬達、輔助電源模塊，以及車載充電模塊，電動汽車要多種功率電子器件，”凱利說道，“而且，汽車行駛時，上述模塊中的功率半導體開開關關，（是耗電的大頭），續(xù)航問題總會存在。所以電動汽車中總傾向于用大電池，高功率的大電池要有相應的功率器件來傳輸能量。這些大功率器件的開關頻率要更高，因為功率器件的開關速度越快，傳輸電能時浪費的越少，電動汽車圍繞電池進行系統(tǒng)設計的一切都是為了能效，提高能效是底線。”

自動駕駛的引入將會大幅新增開發(fā)難度。“（引入自動駕駛）必須要更早在全系統(tǒng)層面進行開發(fā)，并研究電池在系統(tǒng)中的用途，”新思科技應用工程經理吉姆·巴頓（Jimpatton）說道，“這要更多的仿真，因為自動駕駛功能非常耗電。（實現自動駕駛功能）開發(fā)人員要新增一堆攝像頭，若干影像處理模塊，以及很多別的元器件，這些元器件都會新增耗電。自動駕駛功能是電動汽車中另一大耗電模塊，開發(fā)人員要認真計算仔細仿真（以滿足系統(tǒng)續(xù)航要求）。”

上述所有功能的實現都要保證安全。“開發(fā)人員可以自動插入開路或短路的電路，進行大量故障仿真，以應對各種意外狀況。比如，'假如交流發(fā)電機壞了會怎么樣？我還能把這輛出故障的自動駕駛汽車開到路邊嗎？'開發(fā)人員要能在安全的前提下處理這種故障，并制定相應的策略以應對不同故障。開發(fā)人員要對最壞狀況有應對方法，當最壞狀況發(fā)生，能夠把電源從非性命攸關的模塊切斷，而用以維持剎車等關鍵部件。”巴頓說道。

充電的考慮

充電速度也是電動汽車差異化的重要體現。“十年前，我剛開始在這個領域工作時，電池組的成本超過1000美元/千瓦時，”西門子Mentor事業(yè)部（Mentor,aSiemensBusiness）新移動解決方法機械分析部總監(jiān)譜尼特·辛哈（puneetSinha）說道，“現在，特斯拉Model3或者雪佛蘭的電池成本，已經接近150美元/千瓦時，電池成本下降非常快。”

伴隨電池價格的下降，橫在電動汽車面前的重要障礙變成了如何提高充電速度。充電速度要求改變了電池的基礎設計。

“快充技術的發(fā)展，要求電池芯必須能在使用壽命縮減不大的前提下，承受快充條件，而且不能有隱患，”辛哈說道，“電池芯能否耐受快充條件，重要取決于電化學材料，但從電池組層面來看，電極如何設計也會影響到電池組是否耐受快充。這些研究是非常重要的，因為短時間把150到200千瓦時的能量充入電池很有挑戰(zhàn)，而且充電時會出現很多熱量，所以行業(yè)內公司在研究如何在充電時冷卻電池的技術。”

對這些問題，德拉科汽車（DrakoMotors）首席執(zhí)行官迪恩·德拉科（DeanDrako）頗有同感。德拉科汽車為自己生產的GTE電動超跑設計開發(fā)了電池。

GTE的電池組支持兆瓦（MW）級功率輸出，GTE要實現創(chuàng)紀錄的性能，電路的承載能力將受到極致挑戰(zhàn)，只有匹配相應的冷卻系統(tǒng)，才能實現強勁而穩(wěn)定的功率輸出。“GTE電池具備90千瓦時的容量，峰值電流可達2200安培，支持1800安培穩(wěn)定電流輸出，精心設計的電池組可以為GTE四個電動機持續(xù)供應900千瓦的驅動力。電池芯周圍密布冷卻管，大量冷卻管縱橫交錯，構成大規(guī)模并行冷卻系統(tǒng)，可以將每一個電池芯的熱量快速散發(fā)出去。”德拉科汽車網站上這樣描述道。

迪恩表示，德拉科公司在電池組設計開發(fā)上非常努力，鋰離子電池設計本身也成為整車架構設計的一部分。“電動汽車電源設計通常考慮續(xù)航或功能優(yōu)先，但我們選擇了一條與眾不同的路線，因為我們瞄準的是賽車市場。我們造出的汽車要能在賽道上贏得比賽，所以對電源及設計要求都非常高，而且要配備強大的冷卻系統(tǒng)，以防止電池過熱。電池在充放電時，總有部分能量以熱的形式消耗掉，這就是電池的化學特性。”

電池與電池組設計的重要挑戰(zhàn)是如何適應寬溫度范圍工作，電池與電池組本身工作溫度范圍很窄，但汽車工作環(huán)境千差萬別，要電池組能夠適應寬溫度范圍與其他嚴苛的外部環(huán)境。電池組中的一個電池芯因過熱發(fā)生問題，很可能會引發(fā)整個電池組的鏈式反應。

“這就是為何人們喜歡用常規(guī)標準電池芯，因為電池芯制造商已經對電池芯做了非常嚴格的測試，采取多種措施以確保電池芯不會爆炸，”迪恩說道，“到電池組開發(fā)階段，要的就是在電池組內放置足夠數量的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，時刻監(jiān)控所有狀況。理論上，每一個電池都會配相應的保險絲，通過微控制器來控制電池組的狀態(tài)并決定是否熔斷保險絲。假如出現過熱，要有相應的液冷設備來確保電池組溫度能降下來。假如不考慮系統(tǒng)的可靠性、安全、健壯性、功率輸出，設計出的電池組將危如累卵。”

Mentor的辛哈同意德拉科的觀點，電動汽車充放電不是把車放到有空調的車庫去充電那么簡單。“我們的很多客戶意識到了這些問題。在充放電系統(tǒng)中，電池芯當然很重要，但它只是整個問題的一小部分。假如對電池組的熱管理處理沒做好，即便選用全球最好的電池芯，也不能保證系統(tǒng)在充放電時的安全。在實現直流快充時，要考慮的因素很多，開發(fā)人員要保證系統(tǒng)能既做到快速充電，又不浪費能源。”

另外，所有上述問題，假如發(fā)生，都將影響到整車架構，辛哈說道。“很少有人能在紙上列出，或者說出‘假如這個問題發(fā)生了，我將這樣應對；假如那個問題發(fā)生了，我將那樣應對’。應對復雜系統(tǒng)設計中數百條問題的排列組合，是專用軟件發(fā)揮用途的時候，利用軟件，開發(fā)人員能在系統(tǒng)開始設計時就能厘清有什么技術選項，怎么才能成本更優(yōu)化，以及‘假如我這樣做，將會得到這種結果；假如我那樣做，將會得到那種結果’。根據上述分析，開發(fā)團隊很容易就做出正確決定。這是我們和很多設計軟件客戶交流時得到的反饋。所以，應用模式決定了采用哪種整車架構。”

每個環(huán)節(jié)都很重要，它們還要上下銜接。“內燃機車與電動汽車是完全不同的兩種開發(fā)思路，”辛哈說道，“內燃機技術非常成熟，開發(fā)人員只要選擇合適的現成技術，將其融入系統(tǒng)中即可，從車身、座位、到座艙技術，一切都按部就班、有章可循，但電動汽車還不是這樣。”

數據在哪里？

在半導體設計的某些領域，存在數據過多的現象，但在電池設計中，開發(fā)人員往往面對數據偏少的問題。

“我已經在這個領域有幾年，一門心思投入到抓取電池數據工作中，也與客戶或制造商一起合作來收集數據，但電池數據真的很難抓取。”新思科技的凱利說道，“（新思科技的工具）不是直接的人工智能，但借助新思科技工具，開發(fā)人員可以用最小量的數據，來推測系統(tǒng)的性能。”

利用工具生成的可用電池組模型，可以嵌入系統(tǒng)中進行系統(tǒng)級仿真，通過設置充電初始狀態(tài)、電池組構成參數等條件，來計算系統(tǒng)在典型歐洲工況等場景下的結果。開發(fā)團隊可以直觀地查看各電池芯電壓與電流的變化，能量消耗，充電狀態(tài)，甚至能源效率與續(xù)航里程。

新思科技的巴頓表示，這些模型是電動汽車設計的關鍵。“很明顯，電池是電動汽車的基礎，可能是最有挑戰(zhàn)的零部件之一，也是開發(fā)人員承擔壓力之所在，因為電池系統(tǒng)是區(qū)分不同電動汽車的根本。車身重量與整車電池能量是一對難平衡的參數，新增電池數量可以新增整車電池能量，但同時也新增了車身重量，從而新增單位里程耗電量。所以，每一次新增電池容量都要同時考慮新增的車重。”

電池的化學特性也應考慮。“電池芯材料有很多種組合，加工成電池芯時也有很多種布局方法，不過我們有時忽略了電池芯材料在化學特性上的難點。”巴頓說道，“功率電子就是這樣，連接電池和電動機以及車上所有要供電的