电动汽车的续航里程和电池容量

广西贵港，一辆行进中的电动汽车自燃。同日，武汉某小区停车场内一辆电动汽车充电自燃，引发周边三辆汽车燃烧，事故目前正在调查中。电动汽车发生自燃的因素有很多，除了天气以外，电池自身和电池管理系统BMS非常重要。

对于一台纯电汽车，电池容量好比油箱容量。电动汽车的续航能力，取决于电池的电容量和全车的耗电量。也可以说，未来电动汽车的成败将取决于，电动汽车的使用场景、方式，以及电池材料、能量密度和复杂的电池管理系统。

为了提高汽车的续航里程，我们可以通过创新电池材料来提高电池能量密度和不断优化电池管理系统BMS降低汽车电耗入手。用电池驱动的马达取代内燃机只是复杂技术转变的第一步。然而，增加电动汽车单次充电的行驶里程，并减少电池充电的时间，是一个更加棘手的挑战。电池容量一直以每年5%~6%的速度增长。更密集的存储和/或更多的电池将允许车辆行驶更长时间，加速更快，但获得制造电池所需的材料受到地缘政治和环境问题的限制，所以许多替代方案正在考虑中。

如何让电池在保持更多电量的同时，也让它们能实现快速充电。对于这个问题，英飞凌高级工程师Felix Weidner给出的方法是，在电池阳极中加入了少量硅（大约5%~10%）。在充电过程中，将锂离子泵入石墨烯中，一个锂离子需要相当数量的石墨烯。由于硅可以捕获更多的锂离子，由此，将需要更多的硅，并得到更多的能量密度，但这一方法的缺点是，材料性质不够稳定，且易膨胀。另有两种元素——镍和钴，今已被用来增加密度和降低火灾风险。但是，由于战争和地表矿产资源丰度偏低造成的短缺，推高了电动汽车动力电池的价格，这促使我们在全球范围内寻找更丰富、更容易使用的新材料。

电动汽车的续航里程，与车辆使用环境息息相关。在低温环境下，车辆行驶里程减少一半很常见、山地爬坡过多也导致电耗增加。由此，电池充电的频率越高，电池的寿命也越短。这通常表现为随着时间的推移，最大续航里程会减少，类似于手机电池随着时间的推移而退化。但更换汽车电池需要一次性完成，以保持电池模块之间的平衡，它比购买新手机要昂贵很多。这迫使汽车制造商要像芯片制造商那样思考，即电力预算不变的前提下，新电子产品必须符合该预算。正如，西门子数字工业软件公司(Siemens Digital Industries Software)自动驾驶和ADAS高级主管大卫•弗里茨(David Fritz)表示:“我们的目标是尽量减少充电周期，因为更换电池的成本让一些人不敢使用这项技术。”“系统消耗的能量越少，我们驱动马达的效率就越高。我们可以使用复合材料来帮助减轻重量，但这十分有限。下一个重大挑战是了解所有电子产品的功能以及它们的消耗量。这是我们可以通过关闭这些设备并将它们置于低功耗模式来控制的。”

我们可以看出，电池管理的重要性。这里有两个常用指标：一个是荷电状态，即在任何给定时刻电池中有多少能量。第二个是健康状态，即可用电池容量的百分比。电池管理比听起来要难得多。如今，它涉及加热、冷却和确定延长电池寿命的最佳充电比例。但这仅仅是个开始。在未来，电池结构有望变得更加复杂，可能涉及到用于不同任务的专用电池和新材料。预计也会有坏电池回收利用的变通办法。电池的健康状况会随着时间的推移而改变。因素之一是，当电池增加接近最大容量的电荷时，电池单元内部发生化学变化。电池没电的时候更容易充电，但临近充满时候充电更难了，相对空电时，所需充电时间加长了；由于电池内阻的存在，导致散热问题的出现，此时，可以通过BMS根据电池单元的温度降低电荷。”

因电池过热会引发火灾，所以在电池安全方面，电池单元健康是最重要的指标之一。与电动汽车合作的公司特别关注电池内部的热问题，这是引入新材料的挑战之一。所有产品都需要长期在极端条件下进行测试，就汽车应用而言，可能需要长达五年的时间。所以我们需要监控电池，判断并评估单个电池的健康状态。而这，我们需要由电源管理芯片等组成的电池管理系统。目前，我们将所有的电池装在汽车底部的一个电池组中，除了传统的金属材料导热方式，还有一种使用导电流体的液体冷却。如果我们把电池分布在不同地方，这样集中在同一区域的电池会少很多，便于热量管理。另一方面，当我们需要在室外温度较低时加热电池，这样它们才能以最高效率运行。通过分配电池，我们可以在不同的地方加热它们。

电动汽车的电池中，不是所有的电池都适合每一项任务。比如，车辆中的一些系统总是开着的。其他的可能只是偶尔使用。此外，启动汽车和调用摄像头的反应时间必须瞬间完成的，而启动信息娱乐系统时产生一两秒延迟通常会被忽略。这是否会发展成一种分布式电池架构，使用不同类型的电池，或者更好地控制现有的电池，还有待观察。但在这一点上，所有的选择都在探索中，包括可能使用氢燃料电池作为备用。

另外，我们需要提高车辆内部芯片和系统的效率，并进行低功耗的设计。人们对电动汽车需求，将更关注智能、高效的电子产品。相对与传统的汽车芯片而言，电动汽车芯片有些是需要定制的。即便电池变得更先进，但仍然会有是几千个不同的电子子系统和芯片，它们都将被连接起来。这绝对会消耗电力供应。与所有复杂的电子设备一样，最大的挑战之一是弄清楚如何划分和优先考虑电力。这些变化，好比从多个离散集成电路到单片系统集成电路的转变。我们在SOC中关闭电源的方式是使用时钟门控，并在需要时打开或关闭。对于汽车来说，这可能很重要，但从汽车公司的角度来看，有很多ECU都在执行独立的任务，它们不可能打开或关闭设备。西门子工程师Fritz举例说：“我们正在与7家不同的oem合作，每一家都采取了非常不同的方法。其中一个方案需要4千瓦。我们能够模拟相同的解决方案，基于最先进的技术，而不是一些现成的、耗电大的x86系统，我们能够将其降低到40瓦。整个系统，一旦你加上所有的外围设备，是50瓦，而不是4千瓦。这对续航里程和可持续性都有影响，因为一次充满电可以节省约7磅二氧化碳。”

最后，电池化学、电池管理和电池设计正变得越来越复杂。电池的终极目标仍然是能够快速充电，持续行驶数十万公里，而且既安全又相对便宜。与大多数复杂的电子设备一样，这需要权衡利弊，需要一些复杂的架构，还需要对车辆内部的电力传输和存储系统进行不断的重新思考。

审核编辑：汤梓红