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來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察 電動(dòng)汽車(chē)（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(chē)技術(shù)之一。2022 年，EV 電池組的平均成本為 153 美元/kWh，相當于 15 年間下降了 90%。 展望未來(lái)，汽車(chē)行業(yè)預計，鋰離子電芯的需求會(huì )以每年 33% 的速度增長(cháng)，在 2030 年之前達到 4700 GWh。 更實(shí)惠的 EV 電池有助于盡早平抑 EV 和內燃機汽車(chē)之間的價(jià)差。然而，由于原材料、供應鏈和能源成本不斷上升，電芯制造又是一個(gè)需要耗費大量能源的過(guò)程，因此控制電池成本始終存在巨大挑戰。 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(kāi)成本壓力不談，電池技術(shù)必須繼續升級，才能支持電動(dòng)交通生態(tài)系統動(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)系統以及生態(tài)系統的發(fā)展對電池產(chǎn)生的影響。 
圖 1：EV 電池在電動(dòng)交通生態(tài)系統中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用 圖右，汽車(chē)制造商和電池開(kāi)發(fā)商必須生產(chǎn)出滿(mǎn)足消費者續航里程期望的 EV 電池。在宏觀(guān)層面上，容量更大、使用壽命更長(cháng)的電池有助于汽車(chē)電氣化與真實(shí)應用的融合，從而實(shí)現電池循環(huán)，減少浪費和污染。 圖左是日新月異的智能電網(wǎng)，它描繪了電動(dòng)汽車(chē)電池如何由從充電站汲取能量的單向“耗電裝置”轉變?yōu)殡p向或車(chē)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、模塊和電池組級別的電池性能設計 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(kāi)發(fā)階段都很相似。電芯開(kāi)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。 要想達到用戶(hù)預期的續航里程和快充速度，滿(mǎn)足未來(lái)的 V2G 功能需求，開(kāi)發(fā)人員需要從電芯化學(xué)這個(gè)層面著(zhù)手。按照電池性能技術(shù)指標，電芯開(kāi)發(fā)人員需要分析各種電化學(xué)混合物的性能（見(jiàn)圖 2 示例）。
圖 2：電芯化學(xué)成分不同，性質(zhì)和性能也會(huì )各異 現代電池測試實(shí)驗室必須一次性處理成千上萬(wàn)顆被測電芯，準確測量不同電芯設計的實(shí)際性能，才能知道它們是否達到了設計目標（見(jiàn)圖 3）。
圖 3：開(kāi)發(fā)新電芯時(shí)必須考慮不同的電芯特性，因為電芯特性由其應用決定 在設計和測試電池的過(guò)程中，如果電芯最終是組裝成模塊或者電池組為車(chē)輛供電，那么電池設計經(jīng)理必須考慮如何兼顧不同應用的不同測試參數。電池的應用涵蓋兩輪摩托車(chē)、轎車(chē)、運動(dòng)型多功能車(chē)和重型運輸車(chē)輛。面向不同最終用戶(hù)市場(chǎng)的電池需要滿(mǎn)足不同的需求，需要采用不同的測試設置。因此，測試環(huán)境必須能夠支持所需的電壓、通道和安全要求（見(jiàn)圖 4）。 要想驗證電池在電芯、模塊和電池組各個(gè)級別的性能，還需要進(jìn)行如下一些測試： · 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。 · 檢查機械連接和模塊性能。 · 電池與車(chē)輛的電池管理系統（BMS）通信的情況。
圖 4：開(kāi)發(fā)周期中的各個(gè)階段都需要配備有助于驗證電池性能的測試環(huán)境 自動(dòng)化管理在電池測試實(shí)驗室的作用日益重要 圖 5 簡(jiǎn)單描述了電池測試實(shí)驗室中不同的角色及其任務(wù)。由于被測器件的數量非常之大，實(shí)驗室管理人員無(wú)法繼續憑借手動(dòng)跟蹤和電子表格來(lái)管理現代電池測試實(shí)驗室。 自動(dòng)化實(shí)驗室運作不僅能確保高效的時(shí)間和資源管理，還能實(shí)現測試數據的跟蹤和追溯，以及提高測試吞吐量。如果測試設施龐大、測試站點(diǎn)眾多，實(shí)驗室管理人員可以借助基于云的實(shí)驗室運作管理工具來(lái)管理和控制電池測試操作狀態(tài)。他們還可以把采集自被測器件的測試數據用于改進(jìn)設計。
圖 5：現代電池測試實(shí)驗室需要同時(shí)監管成千上萬(wàn)個(gè)被測器件，因此實(shí)驗室的數據流和管理至關(guān)重要 確保從藍圖到生產(chǎn)階段的質(zhì)量穩定 一旦新電芯設計可以投入量產(chǎn)，它就進(jìn)入了快速發(fā)展的大規模生產(chǎn)階段。麥肯錫的一份報告稱(chēng)，如果電芯需求繼續以每年 30% 的速度增長(cháng)，那么按照當前的產(chǎn)能，全球市場(chǎng)還需要建設另外 90 座超級工廠(chǎng)，才能滿(mǎn)足未來(lái)十年的汽車(chē)電動(dòng)化需求。 美洲和歐洲追隨中國和韓國的步伐，在更靠近終端市場(chǎng)的地方制造電動(dòng)汽車(chē)電池。這些國家投入數十億美元用于擴大超級工廠(chǎng)的產(chǎn)能，圖 6 展示的就是這個(gè)復雜的制造工藝。
圖 6：電芯循環(huán)和老化是電芯制造這一復雜工藝當中耗時(shí)最長(cháng)的階段 超級工廠(chǎng)在設立之前要解決許多問(wèn)題，包括位置、預算、原材料獲取、制造系統和人力資源。不過(guò)，我們的重點(diǎn)是如何從電芯層面開(kāi)始構建更好的電池。 對于大批量制造來(lái)說(shuō)，吞吐量是反映生產(chǎn)效率的關(guān)鍵指標。在鋰離子電芯制造工藝當中，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�；蜃苑烹娺^(guò)大的不良電芯，因為這種“壞”電芯會(huì )對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)月才能展現出來(lái)。但是，在時(shí)間和成本都相當敏感的制造環(huán)境中，過(guò)去那種花很長(cháng)時(shí)間去跟蹤自放電的方法非常不切實(shí)際。 一部分制造商現在使用一種相對較新的恒電位測量方法來(lái)直接測量電芯內部的自放電電流。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)就能完成測試，因此為這種至關(guān)重要的質(zhì)量檢查既節省了時(shí)間，又節省了寶貴的空間。 新技術(shù)帶給我們的是充電速度更快、性能更強大的電芯。這些電芯要進(jìn)行循環(huán)測試，通過(guò)電芯樣本的測試結果來(lái)判斷電芯的循環(huán)壽命以及充電速率對電芯壽命的影響。隨著(zhù)電芯容量快速增長(cháng)，開(kāi)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)設施的散熱需求。 經(jīng)得起未來(lái)考驗的電池測試技術(shù) 隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化持續發(fā)展，電池開(kāi)發(fā)商和制造商必須在電池測試能力方面先發(fā)制人。他們需要在設備方面做好規劃，以便處理更大的電芯容量、更高的供應/消耗電流，并且能利用再生電力來(lái)降低運營(yíng)成本。 有些制造商采用不受位置限制的模塊化“超級測試艙”來(lái)降低投入到電池測試當中的時(shí)間和成本，這種方式同時(shí)還支持他們根據需求快速完成部署。 這些振奮人心的創(chuàng )新無(wú)疑將有助于進(jìn)一步擴大電池的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)規模，為電動(dòng)汽車(chē)的采用提供動(dòng)力。 |
