走向电动化:21世纪电池的一些挑战和机遇

首页 > 知识 > 博客 > 走向电动化:21世纪电池的一些挑战和机遇

走向电动化:21世纪电池的一些挑战和机遇

走向电动化:21世纪电池的一些挑战和机遇

由电动汽车(EV)驱动的未来曾经是梦想的东西。现在,它已经成为技术、人才和仔细测试所带来的现实。我们对电池总是充满好奇,在Nigel Taylor的帮助下,我们研究了这一脱离内燃机的巨大转变。30年来,他一直将自己的才能用于低碳电动汽车,首先是在汽车行业为捷豹路虎和罗孚集团等公司工作。他目前是一名自由技术专家,也是BatteryDesign.net的创始董事。

 

适合目的的设计

设计电池不是一件容易的事,随着需要更先进的电池,其复杂性也会增加。电池设计和优化的过程需要一系列专家的密切协作:从化学到机械和电气工程师。这个多学科的工人小组将在这个过程的所有不同步骤中工作:电池、模块,最后是电池。与链条类似,一个电池的强度将取决于其最弱的电池。

 

为了设计有效和可靠的电池,需要对五个关键因素进行评估:

 

电:电池会遇到一些问题,如电阻问题,这些问题会导致电弧或短路等问题。

热:整个电池需要有一致的温度,才能适当地工作。大型电池与电动汽车的设计是巨大的。我们在这里对它们进行了快速的梳理,你可以听听Nigel Taylor在参加我们的现代化学播客Modern Chemistry podcast.时对它们的完整解释。

机械方面: 车辆可能会坠毁并卷入事故中。电池的设计需要保证物理冲击不会导致电池因热失控而起火。

设计中的安全:在设计电池时,需要解决与使用电池有关的风险(过热、短路),如果出了问题,用户不会被置于危险之中,例如,如果出了问题,要警告用户。

控制:对电池化学的良好理解可以预测其在生命周期内的行为,特别是在被推到极限时。

今天的电动汽车设计的科学挑战是巨大的。我们在这里对其进行了快速的梳理,你可以听听Nigel Taylor在参加我们的现代化学播客Modern Chemistry podcast.时对其进行的完整解释。

 

1679657941822617.jpg 

不是所有的电池都是一样的

不要被愚弄,以为电动汽车电池只是AA或手机电源组的大版本。想想看,一部手机在两年左右就会开始下降充电性能,但像汽车这样的大件物品,有那么多移动部件可以出错,需要持续更长时间。通常情况下,一辆电动汽车的充电次数是任何手机的5到8倍。而且,手机只用一个电池,而特斯拉汽车有6000个电连接的电池为其供电。

 

手机与我们在一起,当天气寒冷时,通常会进入室内,因此它们会暴露在一个广泛但不极端的温度范围内。然而,留在室外的电动汽车需要一个可充电的电池,能够在-20°C到+60°C之间的任何地方有效放电。正是这样的担忧导致了电动汽车最初的缓慢吸收,作为回应,制造商现在提供延长的保修期。此举也缓解了二手车市场的担忧。现在,车主可以预期汽车的寿命约为10-15年和/或15万英里以上。

 

汽车电池的放电速度也与手机非常不同。一个持续使用的手机将在10小时左右放电,C率超过10。而在高速公路上稳定行驶时,汽车电池的放电时间约为两小时。把这辆车放在赛道上,20分钟后就会消失。这是一个2的C率,而设计一个电池来实现这一目标需要非常谨慎的管理。

1679657958371444.jpg 

 

动力方面的问题

一辆高端汽车可以提供150至225千瓦。因此,让我们假设,为了配合这个数值,电动车需要超过200千瓦(kW)。单个电动锂电芯可以产生3.6V,峰值为4.2V。有100个电池,其中每个电池的负极将连接到下一个电池的正极,在电池中会将电压推到360-420V。从电流和电压计算出的功率是很简单的:

 

功率(千瓦时)=电流(安培)x电压(瓦)/1000

 

就能量而言,普通电池有5Amp,这将意味着: 360V x 5Amp = 1.8kWh。这个数值只够行驶10公里。一个解决方案是将电池并联起来,使正极对正极,负极对负极。有60个系列的100个电池序列,理论上可以提高60倍的功率。300安培的电池组有360伏电压,这意味着电池的容量将是108千瓦时。随着发动机转速的提高和准备就绪,维持该功率是需要克服的下一个障碍。这辆电动车中的所有6000个电池必须作为一个整体运作:具有统一的电阻和温度水平。任何大的温差都会带来高电流,并影响电池的放电方式。业界希望将目前典型的800V电压运行的电池组增加一倍,这只会增加风险和难度。只要有一个电池出现故障并产生导电气体,整个电池组的6000个电池就会出现电弧。

 

 

封顶的热量

考虑到这一点,保持凉爽也同样难以实现。即使是相对较小的电池在设计时也包含了冷却基础设施或释放装置。但电动车必须在最低400V的环境下管理其热损失。在一个理想的情况下,一个电绝缘但热连接的冷却系统将是目标。有一个导电的冷却系统可能会导致短路事件,而且在这种情况下,它是一种液体,可能会发生电解过程。为了解决这个问题,冷却剂被安置在类似于在所有冰箱后面可以看到的结构中。冷却包将包括一个外部涂层,它是电绝缘的,在电池和冷却板之间有一个导热层。目前的解决方案是有一个非常薄的结构,由硅酸基涂层和石墨夹层组成。这些重要的保持电池的连接,保持串联,但让它在电上隔离,以便能够失去热量。这是一个非常有创意的解决方案,当任何电池必须保持在其他电池的两摄氏度以内时。

 

在维持电动车电池的健康热状况时,一个很大的风险是确保冷却机制保持到位。无论驾驶多么平稳,电动车都会振动,导致冷却包移位。如果电池的温度不均匀,它们的老化就会不一致。这是一个主要问题,因为整个电池组只有在其最差的部分才是好的。如果6000个电池中的一个电池被削弱了,所有其他电池的能量就不能被利用。而且,由于目前大多数电动车的电池组是不可替代的,并打算持续到汽车的使用寿命,过早的老化引起了人们的关注。

1679657977269209.jpg 

迄今为止,电动汽车的胜利

说了这么多,现在是时候对电动汽车的安全性有更多信心了,奈杰尔说。"我们不担心我们的遥控器中的电池,所以不需要担心汽车中电池的安全问题。微量元素,如铌,正被放入一些电池中,使其更加坚固,Formula E中的最新电池组在能量密度上也有了很大的变化。就性能而言,[这些汽车将]感觉像1970年代早期的一级方程式。这[应该]会增强消费者对电动汽车寿命的信心,以至于它们[成为]规范。"

 

总的来说,他觉得电动汽车进入主流的旅程进展顺利。随着最近技术的提升,现在可以通过手机应用程序监测电池健康状况。此外,对质量数据的访问已经将一些电池组控制系统的管理放到了云端,在那里,无论驾驶条件如何,电池的性能都会根据个人使用情况或最佳体验进行调整。

1679657992863141.jpg 

展望未来?

有很多关于电动车电池可能被重新使用的讨论。这可能会帮助一个曾经痴迷于丢弃的社会感觉更好,但只有在证明商业上可行的情况下才有可能在汽车上使用。目前,拆卸电池组并确保其安全重新配置的成本太高。而且,人们对在已经经历过艰苦工作的电池组上实施这一过程的有效性表示担忧。

 

如果汽车内的电池组再利用不是一个可行的选择,那么车辆到电网的创新可能是可行的。同样,也可以在家庭中使用再利用的电池,在白天由太阳能电池板充电,在晚上为家庭供电。其他的想法是把废旧电池放在一起,创建多辆汽车的快速充电点,可以保护电网免受停电影响,并促进当地社区的发展。

 

电动汽车可能已经过了萌芽期,但仍有大量的成长工作要做。我们可能会看到一个尴尬的青春期,给驾驶者和地球带来重要的好处。可以肯定的是,还有很多变化要发生。

 

1679658012714199.jpg 


2022-04-04T13:28:15+01:00

Title

Go to Top