新能源爆发之日，燃油车灭亡之时？

过去，汽车电池总是作为即插即用的部件，但在电动汽车中，电池的作用已经发生了变化。如今，电池是电动车差异化的关键，也是电动车中最重、最贵的部件。传统汽车中的电池原本是一个相当简单的部件。而在电动汽车中，动力电池组中密集地封装着各种传感器，用于监测电池的发热状态和老化效果，以及动态热负荷和自愈效果。最重要的是，电动汽车的动力电池必须在整车架构的层面进行设计和开发，因为电池的运行状态会影响整个系统，动力电池模块的设计、装配和维护仍然面临很多困难。“大家都知道，电池是电动汽车中最重要也是最难的部件。新思科技的R&D工程师布莱恩·凯利说:“电池决定了电动汽车的重要参数，如续航里程、成本、安全性和充电成本。”。“续航里程短、成本高、电池组易失效、充电设施分布不均是目前纯电动汽车面临的主要困难。电池提供能量，但需要很好地管理和控制，以便电动汽车的其他部分能够正常运行。”这就是系统开发思维可以发挥作用的地方。“压缩机、水泵、电机、辅助电源模块和车载充电模块，电动汽车需要各种电力电子设备，”凯利说。“而且汽车在行驶过程中，上述模块中的功率半导体的开启和关闭，是耗电大户，续航问题会一直存在。所以电动汽车总是倾向于使用大电池，高功率的大电池需要相应的功率器件来传递能量。这些大功率器件的开关频率更高，因为功率器件的开关速度越快，传输功率时浪费的能量就越少。电动汽车围绕电池的系统设计一切都是为了能效，提高能效是底线。”自动驾驶的推出会大大增加开发难度。“(引入自动驾驶)必须更早地在整个系统层面进行开发，应该研究电池在系统中的作用，”新思科技应用工程经理吉姆·巴顿(Jim Patton)说。“这需要更多的模拟，因为自动驾驶功能消耗了大量的电力。开发者需要添加一堆摄像头，几个图像处理模块和很多其他组件，这些都会增加功耗。自动驾驶功能是电动汽车中另一个主要的耗电模块，需要开发者仔细计算，仔细模拟(以满足系统续航要求)。”以上所有功能都必须安全实现。“开发人员可以自动插入开路或短路，并进行大量的故障模拟，以应对各种突发情况。比如，‘如果交流发电机坏了会怎么样？‘我还能把这辆抛锚的自动驾驶汽车拉到路边吗？’开发人员应该能够在安全的前提下处理这种故障，并针对不同的故障制定相应的策略。开发商应该有应对最坏情况的计划。当最坏的情况发生时，他们可以切断非生命危险模块的电源，以维护刹车等关键部件。”巴顿说。考虑充电速度也是电动车差异化的重要体现。”“十年前，当我刚开始在这个领域工作时，电池组的成本超过1000美元/千瓦时，”西门子公司Mentor新移动解决方案机械分析部主任普内特·辛哈说。现在特斯拉ModeModel 3或者雪佛兰的电池成本已经接近150美元/千瓦时，电池成本下降非常快。“随着电池价格的下降，电动汽车面临的主要障碍变成了如何提高充电速度。充电速度的要求改变了电池的基本设计。”“随着快速充电技术的发展，电池单元必须能够承受快速充电条件，而没有任何隐患，”辛哈说电芯能否承受快速充电条件主要取决于电化学材料，但从电池组的角度来看，如何设计电极也会影响电池组能否承受……吃了快充。这些研究非常重要，因为短时间内将150到200千瓦时的能量充入电池是非常具有挑战性的，充电时会产生大量的热量，所以行业内的企业都在研究如何在充电时冷却电池。德拉科汽车公司的首席执行官迪安·德拉科也有同样的担忧。Draco为其GTE电动超级跑车设计并开发了一款电池。GTE的电池组支持兆瓦(MW)功率输出。为了达到创纪录的性能，电路的承载能力将受到极大的挑战。只有匹配相应的冷却系统，才能实现强劲稳定的动力输出。”GTE电池容量为90千瓦时，峰值电流可达2200安培，支持1800安培的稳定电流输出。精心设计的电池组可以为GTE的四个马达持续提供900千瓦的驱动力。电芯周围密布冷却管，大量冷却管纵横交错，形成大规模的并联冷却系统，可以快速散热各个电芯。“这是Draco汽车网站上的描述。迪恩表示，Draco在电池组的设计和开发方面做出了巨大努力，锂离子电池的设计本身已经成为车辆架构设计的一部分。”电动汽车的动力设计通常会考虑续航或功能优先，但我们选择了不同的路线，因为我们瞄准的是赛车市场。我们制造的汽车应该能够在赛道上赢得比赛，因此它需要非常高的电源和设计，并且它应该配备强大的冷却系统，以防止电池过热。电池在充放电时，总有一些能量以热量的形式消耗掉，这就是电池的化学特性。“电池和电池组设计的主要挑战是如何适应宽温度范围。电池和电池组本身的工作温度范围很窄，但汽车的工作环境又有很大的不同，这就要求电池组适应很宽的温度范围和其他恶劣的外界环境。电池组中的一个电芯因过热出现问题，很可能引发整个电池组的连锁反应。”“这就是为什么人们喜欢使用传统的标准电池，因为电池制造商对电池进行了非常严格的测试，并采取了各种措施来确保电池不会爆炸，”迪恩说在电池开发阶段，需要的是在电芯中放置足够多的温度传感器、电压传感器和电流传感器，时刻监控所有的状况。理论上，每个电池都会配备相应的保险丝，电池组的状态由微控制器控制，决定是否熔断保险丝。如果过热，应该有相应的液体冷却设备，以确保电池组的温度可以降低。如果不考虑系统的可靠性、安全性、鲁棒性和功率输出，设计出来的电池组将岌岌可危。"

Draco的Mentor的Sinha同意Draco的观点，认为给电动汽车充放电不是把它放在有空调的车库里充电那么简单。“我们的许多客户都意识到了这些问题。在充放电系统中，电芯当然很重要，但只是整个问题的一小部分。如果没有做好电池组的热管理，即使选择了世界上最好的电芯，也无法保证系统在充放电过程中的安全性。实现DC快充需要考虑很多因素。开发人员应该确保系统可以快速充电，而不会浪费能源。”此外，所有上述问题，如果发生，将影响整个车辆架构，辛哈说。“很少有人能把它列在纸上，或者说，‘如果这个问题发生了，我会这样处理；如果那个问题发生了，我会那样处理。复杂系统设计中上百个问题的排列组合，就是特殊软件发挥作用的时候。有了软件，开发者可以在系统设计之初明确有哪些技术选项，如何优化成本，以及‘如果我这样做，就会得到这个结果；如果我那样做，我会得到那个结果。根据上面的分析，开发团队很容易做出正确的决策。这是我们和很多设计软件客户交流时得到的反馈。因此，应用模式决定了采用哪种车辆架构。“每个环节都很重要，都要上下贯通。”内燃机车和电动车是两种完全不同的发展思路，”辛哈说内燃机的技术已经很成熟了。开发人员只需要选择合适的现成技术，并将其集成到系统中。一切都是按部就班，有章可循，从车身、座椅到驾驶舱技术，但电动车不是这样的。“数据在哪里？在半导体设计的某些领域，数据太多，但在电池设计中，开发者往往面临数据太少的问题。”我在这个领域已经做了好几年了，一直致力于捕捉电池数据，也和客户或者厂商合作过收集数据，但是电池数据真的很难捕捉。“新思科技的Kelly说，“(新思科技的工具)不是直接的人工智能，但是有了新思科技的工具，开发者就可以用最少的数据来推断系统的性能。“工具生成的可用电池模型可以嵌入到系统中进行系统级仿真，通过设置初始充电状态、电池组成参数等条件，可以计算出系统在典型欧洲工况下的结果。开发团队可以直观地查看每个电芯的电压电流变化、能耗、充电状态，甚至能效和续航里程。新思科技的巴顿表示，这些车型是电动汽车设计的关键。”显然，电池是电动车的基础，这可能是最具挑战性的部分之一，也是开发者承受压力的地方，因为电池系统是区分不同电动车的基础。车身重量和车辆电池能量是一对难以平衡的参数。增加电池数量可以增加车辆电池能量，但同时也增加了车身重量，从而增加了单位里程的功耗。所以你每增加一次电池容量，也要考虑到增加的车重。"电池的化学特性也应该考虑. "电芯材料的组合有很多种，加工成电芯时也有很多种布局方式，但我们有时会忽略电芯材料化学特性上的难点。"巴顿说，"电力电子就是这样，把电池和电机以及汽车里所有需要供电的部件连接起来，所以提高电力电子的效率非常重要。"加热和冷却空调系统是另一个需要优化的模块. "高达40%的电力可能用于冷却电池，电池需要被控制在安全的温度范围内工作，”巴顿说再加上驾驶舱的冷暖空调，电动车在北方的冬天很尴尬。开了暖空调，电量下降的速度就像溃坝的水一样，所以我们消费者希望开发商能尽快从系统层面改善。“以上因素加起来，系统层面面临的挑战是极其巨大的。”在设计系统的时候，所有这些相互作用的部分都放在一起，设备如此复杂，没有系统仿真会很乱。不知道结果如何。”凯利说，“汽车里的运动部件太多了，很多行为仅靠数学计算无法得到正确的结果。仿真不再可有可无，开发者只能通过使用仿真工具来获得所有的设计参数。而且电池本身是一个非线性器件，有很多非线性效应，其参数与温度和充电状态有关。所以从系统层面来说，任何部件都有不可预知的工况和太多的变量。只有通过工具模拟才能了解整个系统，否则就像在黑屋子里扔飞镖。Moortec首席执行官Stephen Crosher表示，电池的系统设计很困难，但它为引入更先进的技术开辟了道路，如片上监控。利用片上监控实现电池组can的热监控功能……从电池中提取更多的能量。“无论是给手机增加15分钟的播放时间，还是让用户因为里程焦虑而停止关闭电动车中的功能(比如空调)，只要能延长续航时间，就能提升用户体验。”电池系统开发的困难也为许多新材料上车铺平了道路，尽管这些材料从未用于汽车。“过去，人们使用硅材料作为功率器件，但近年来，宽带隙半导体材料因其在高电压和大功率应用中的优异特性而越来越受到关注。”Silvaco高级营销总监格雷厄姆·贝尔(Graham Bell)表示，“碳化硅和氮化镓是功率器件中的新生力量。”碳化硅市场的增长前景反映了功率器件材料的变化趋势。“主要受混合动力和纯电动汽车需求的推动，未来五到七年，碳化硅市场的复合年增长率将接近30%，”贝尔说。“从供电设施到为电池充电的DC电源，碳化硅器件广泛用于电力传输过程中的电力转换。碳化硅器件的另一个应用领域是用于电动汽车的伺服电机等控制模块。当然，碳化硅也可以用在大功率电路中，如汽车电机的稳压电路或其他元件中。”结语门拓的辛哈表示，半导体和汽车电子生态系统将迎来波澜壮阔的十年，共同经历汽车行业翻天覆地的变化，见证最后的赢家。“当我们审视历史规律时，我们可以做出明确的判断。在电动汽车市场(无论是有人驾驶还是无人驾驶)，那些被绕过的、创新的、标新立异的企业更有机会赢得未来。这样的企业既沿袭了百年不变的老传统，又有跨越电气、电子、机械三个领域的高视角，可以有机融合跨领域技术，真正做到三个领域的技术融合。”辛哈说，“设计、制造和用户体验的差异决定了如何跨领域开发。电动汽车的发展应该用更开放的整合过程，而不是遵循过去的方法。”过去，汽车电池总是作为即插即用的部件，但在电动汽车中，电池的作用已经发生了变化。如今，电池是电动车差异化的关键，也是电动车中最重、最贵的部件。传统汽车中的电池原本是一个相当简单的部件。而在电动汽车中，动力电池组中密集地封装着各种传感器，用于监测电池的发热状态和老化效果，以及动态热负荷和自愈效果。最重要的是，电动汽车的动力电池必须在整车架构的层面进行设计和开发，因为电池的运行状态会影响整个系统，动力电池模块的设计、装配和维护仍然面临很多困难。“大家都知道，电池是电动汽车中最重要也是最难的部件。新思科技的R&D工程师布莱恩·凯利说:“电池决定了电动汽车的重要参数，如续航里程、成本、安全性和充电成本。”。“续航里程短、成本高、电池组易失效、充电设施分布不均是目前纯电动汽车面临的主要困难。电池提供能量，但需要很好地管理和控制，以便电动汽车的其他部分能够正常运行。”这就是系统开发思维可以发挥作用的地方。“压缩机、水泵、电机、辅助电源模块和车载充电模块，电动汽车需要各种电力电子设备，”凯利说。“而且汽车在行驶过程中，上述模块中的功率半导体的开启和关闭，是耗电大户，续航问题会一直存在。所以电动汽车总是倾向于使用大电池，高功率的大电池需要相应的功率器件来传递能量。这些大功率器件的开关频率更高，因为功率器件的开关速度越快，传输功率时浪费的能量就越少。关于选举制度设计的一切……c围绕电池的车辆是为了能效，提高能效是底线。“自动驾驶的推出会大大增加开发难度。”(引入自动驾驶)必须更早地在整个系统层面开发，应该研究电池在系统中的作用，”新思科技应用工程经理吉姆·巴顿(Jim Patton)说。这就需要更多的模拟，因为自动驾驶功能很耗电。开发者需要添加一堆摄像头，几个图像处理模块和很多其他组件，这些都会增加功耗。自动驾驶功能是电动汽车中另一个主要的耗电模块，开发者需要仔细计算，仔细模拟(满足系统续航要求)。"以上所有功能都必须安全实现. "开发人员可以自动插入开路或短路，并进行大量的故障模拟，以应对各种突发情况。比如，‘如果交流发电机坏了会怎么样？‘我还能把这辆抛锚的自动驾驶汽车拉到路边吗？’开发人员应该能够在安全的前提下处理这种故障，并针对不同的故障制定相应的策略。开发商应该有应对最坏情况的计划。当最坏的情况发生时，他们可以切断非生命危险模块的电源，以维护刹车等关键部件。”巴顿说。考虑充电速度也是电动车差异化的重要体现。”“十年前，当我刚开始在这个领域工作时，电池组的成本超过1000美元/千瓦时，”西门子公司Mentor新移动解决方案机械分析部主任普内特·辛哈说。现在特斯拉ModeModel 3或者雪佛兰的电池成本已经接近150美元/千瓦时，电池成本下降非常快。“随着电池价格的下降，电动汽车面临的主要障碍变成了如何提高充电速度。充电速度的要求改变了电池的基本设计。”“随着快速充电技术的发展，电池单元必须能够承受快速充电条件，而没有任何隐患，”辛哈说电芯能否耐受快速充电条件主要取决于电化学材料，但从电池组的角度来看，电极如何设计也会影响电池组能否耐受快速充电。这些研究非常重要，因为短时间内将150到200千瓦时的能量充入电池是非常具有挑战性的，充电时会产生大量的热量，所以行业内的企业都在研究如何在充电时冷却电池。德拉科汽车公司的首席执行官迪安·德拉科也有同样的担忧。Draco为其GTE电动超级跑车设计并开发了一款电池。GTE的电池组支持兆瓦(MW)功率输出。为了达到创纪录的性能，电路的承载能力将受到极大的挑战。只有匹配相应的冷却系统，才能获得强劲稳定的动力输出。“GTE电池的容量为90千瓦时，峰值电流可达2200安培，支持1800安培的稳定电流输出。精心设计的电池组可以为GTE的四个马达持续提供900千瓦的驱动力。冷却管密集分布在电芯周围，大量冷却管纵横交错，形成大规模并联冷却系统，可以快速为每个电芯散热。”这是Draco汽车网站上描述的。迪恩表示，Draco在电池组的设计和开发方面下了很大功夫，锂离子电池的设计本身也成为了车辆架构设计的一部分。“电动汽车的动力设计通常会考虑电池寿命或功能优先，但我们选择了不同的路线，因为我们瞄准的是赛车市场。我们制造的汽车应该能够在赛道上赢得比赛，因此它需要非常高的电源和设计，并且它应该配备强大的冷却系统，以防止电池过热。电池在充放电时，总有一些能量以热量的形式消耗掉，这就是电池的化学特性。”电池和电池组设计的主要挑战是如何适应宽温度范围。电池和电池组本身的工作温度范围很窄，但汽车的工作环境又有很大的不同，这就要求电池组适应很宽的温度范围和其他恶劣的外界环境。球棒中的一个电池……ry pack因为过热出现问题，很可能引发整个电池组的连锁反应。“这就是为什么人们喜欢使用传统的标准电池单元，因为电池单元制造商对电池单元进行了非常严格的测试，并采取了各种措施来确保电池单元不会爆炸，”迪恩说。“在电池开发阶段，需要的是在电芯中放置足够多的温度传感器、电压传感器和电流传感器，以时刻监控所有的状况。理论上，每个电池都会配备相应的保险丝，电池组的状态由微控制器控制，决定是否熔断保险丝。如果过热，应该有相应的液体冷却设备，以确保电池组的温度可以降低。如果不考虑系统的可靠性、安全性、鲁棒性和功率输出，设计的电池组将岌岌可危。”

Draco的Mentor的Sinha同意Draco的观点，认为给电动汽车充放电不是把它放在有空调的车库里充电那么简单。“我们的许多客户都意识到了这些问题。在充放电系统中，电芯当然很重要，但只是整个问题的一小部分。如果没有做好电池组的热管理，即使选择了世界上最好的电芯，也无法保证系统在充放电过程中的安全性。实现DC快充需要考虑很多因素。开发人员应该确保系统可以快速充电，而不会浪费能源。”此外，所有上述问题，如果发生，将影响整个车辆架构，辛哈说。“很少有人能把它列在纸上，或者说，‘如果这个问题发生了，我会这样处理；如果那个问题发生了，我会那样处理。复杂系统设计中上百个问题的排列组合，就是特殊软件发挥作用的时候。有了软件，开发者可以在系统设计之初明确有哪些技术选项，如何优化成本，以及‘如果我这样做，就会得到这个结果；如果我那样做，我会得到那个结果。根据上面的分析，开发团队很容易做出正确的决策。这是我们和很多设计软件客户交流时得到的反馈。因此，应用模式决定了采用哪种车辆架构。“每个环节都很重要，都要上下贯通。”内燃机车和电动车是两种完全不同的发展思路，”辛哈说内燃机的技术已经很成熟了。开发人员只需要选择合适的现成技术，并将其集成到系统中。一切都是按部就班，有章可循，从车身、座椅到驾驶舱技术，但电动车不是这样的。“数据在哪里？在半导体设计的某些领域，数据太多，但在电池设计中，开发者往往面临数据太少的问题。”我在这个领域已经做了好几年了，一直致力于捕捉电池数据，也和客户或者厂商合作过收集数据，但是电池数据真的很难捕捉。“新思科技的Kelly说，“(新思科技的工具)不是直接的人工智能，但是有了新思科技的工具，开发者就可以用最少的数据来推断系统的性能。“工具生成的可用电池模型可以嵌入到系统中进行系统级仿真，通过设置初始充电状态、电池组成参数等条件，可以计算出系统在典型欧洲工况下的结果。开发团队可以直观地查看每个电芯的电压电流变化、能耗、充电状态，甚至能效和续航里程。新思科技的巴顿表示，这些车型是电动汽车设计的关键。”显然，电池是电动车的基础，这可能是最具挑战性的部分之一，也是开发者承受压力的地方，因为电池系统是区分不同电动车的基础。车身重量和车辆电池能量是一对难以平衡的参数。增加电池数量可以增加车辆电池能量，但同时也增加了车身重量，从而增加了单位里程的功耗。所以你每增加一次电池容量，也要考虑到增加的车重。"电池的化学特性也应该考虑. "电芯材料的组合有很多种，加工成电芯时也有很多种布局方式，但我们有时会忽略电芯材料化学特性上的难点。"巴顿说，"电力电子就是这样，把电池和电机以及汽车里所有需要供电的部件连接起来，所以提高电力电子的效率非常重要。"加热和冷却空调系统是另一个需要优化的模块. "高达40%的电力可能用于冷却电池，电池需要被控制在安全的温度范围内工作，”巴顿说再加上驾驶舱的冷暖空调，电动车在北方的冬天很尴尬。开了暖空调，电量下降的速度就像溃坝的水一样，所以我们消费者希望开发商能尽快从系统层面改善。“以上因素加起来，系统层面面临的挑战是极其巨大的。”在设计系统的时候，所有这些相互作用的部分都放在一起，设备如此复杂，没有系统仿真会很乱。不知道结果如何。”凯利说，“汽车里的运动部件太多了，很多行为仅靠数学计算无法得到正确的结果。仿真不再可有可无，开发者只能通过使用仿真工具来获得所有的设计参数。而且电池本身是一个非线性器件，有很多非线性效应，其参数与温度和充电状态有关。所以从系统层面来说，任何部件都有不可预知的工况和太多的变量。只有通过工具模拟才能了解整个系统，否则就像在黑屋子里扔飞镖。Moortec首席执行官Stephen Crosher表示，电池的系统设计很困难，但它为引入更先进的技术开辟了道路，如片上监控。利用片上监控实现电池组can的热监控功能……从电池中提取更多的能量。“无论是给手机增加15分钟的播放时间，还是让用户因为里程焦虑而停止关闭电动车中的功能(比如空调)，只要能延长续航时间，就能提升用户体验。”电池系统开发的困难也为许多新材料上车铺平了道路，尽管这些材料从未用于汽车。“过去，人们使用硅材料作为功率器件，但近年来，宽带隙半导体材料因其在高电压和大功率应用中的优异特性而越来越受到关注。”Silvaco高级营销总监格雷厄姆·贝尔(Graham Bell)表示，“碳化硅和氮化镓是功率器件中的新生力量。”碳化硅市场的增长前景反映了功率器件材料的变化趋势。“主要受混合动力和纯电动汽车需求的推动，未来五到七年，碳化硅市场的复合年增长率将接近30%，”贝尔说。“从供电设施到为电池充电的DC电源，碳化硅器件广泛用于电力传输过程中的电力转换。碳化硅器件的另一个应用领域是用于电动汽车的伺服电机等控制模块。当然，碳化硅也可以用在大功率电路中，如汽车电机的稳压电路或其他元件中。”结语门拓的辛哈表示，半导体和汽车电子生态系统将迎来波澜壮阔的十年，共同经历汽车行业翻天覆地的变化，见证最后的赢家。“当我们审视历史规律时，我们可以做出明确的判断。在电动汽车市场(无论是有人驾驶还是无人驾驶)，那些被绕过的、创新的、标新立异的企业更有机会赢得未来。这样的企业既沿袭了百年不变的老传统，又有跨越电气、电子、机械三个领域的高视角，可以有机融合跨领域技术，真正做到三个领域的技术融合。”辛哈说，“设计、制造和用户体验的差异决定了如何跨领域开发。电动汽车的发展应该用更开放的整合过程，而不是遵循过去的方法。”

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