SAE + 特别报告 ： EV + 电池创新

特别报告: 电动汽车电池创新 2023年11月 这里面是什么 特刊? 赞助 EV实验室之旅 为电动汽车的未来提 供动力 加入我们的UL解决方案的独家幕后之旅 和KeysightEV实验室，看看技术驱动高功率充电、电池，以及电动汽车如何为电网供电。 立即注册 CONTENTS FEATURES 2电动汽车电池：为电气化移动的新时代提高门槛 7推进电动汽车充电的更高速度和新技术 11锂离子电池组泄漏测试的拟议标准和方法 16新兴血浆 FIB-SEM技术促进电池创新 20为盒子而战 技术简报 25利用铝箔开发高能量密度电池 26利用纳米工程技术开发更安全的电池 27新的聚合物涂层可以促进电动汽车电池 27EV电池突破：10分钟充电 在封面上 在设计建模和仿真(MODSIM)环境中的EV 电池组热特征表示。 （图片来源：达索系统） 电动汽车电池创新特殊报告2022年11月1 EV电池:为电气化流动的新时代提高门槛 Keysight电动汽车汽车解决方案经理HweeYngYeo F 或者在过去的十年中，电动汽车已经通过它们与内燃机的比较来衡量 从拥有成本到电池范围，电动汽车（EV ）的设计和开发已经形成了需要，使他们更负担得起和可取的普通消费者。 排放标准的提高和消费者的采用推动了整个行业对电池的投资 研发、生产转型和规模经济，导致EV锂离子电池组的平均成本下降89%，从2008年的 1,355美元/千瓦时下降到2022年的153美元/千瓦时。在 与此同时，电动汽车的平均续航里程在过去十年中翻了一番，一次充电超过219英里。 EV电池的发展现在必须兴起，以满足新的移动时代的需求。下一代EV电池仍然需要满足消费者对价格和范围的期望，同时也在日益 互联的电力生态系统。随着充电基础设施的扩展以满足不断增长的采用率，电动汽车电池必须连接到广泛的 快速充电站和处理更高的充电电压。具有车辆到电网功能的电池也将有助于抵消随着电动汽车采用率的增加而不断增长的电网负荷。 对增加电池续航里程的需求不断增长，同时降低电池成本，这将推动电动汽车电池设计和测试的进步，从而实现更便宜、更持久、更快速充电和更可持续的电池。 在新设计和测试复杂性中限制电池成本 到2026年，电动汽车电池成本预计将达到每千瓦时100美元，但对更快充电的需求增加了电池开发和测试的复杂性。 快速充电是电动汽车和基础设施的下一个重大障碍。 一辆油箱和加油的平均汽油车可以行驶约 400英里 211月2023电动汽车电池创新特别报告 图1：电池设计和测试必须能够适应新出现的电池形状因子、电池化学性质和互操作性要求。 大约需要五分钟。为了提供可比的体验，电动汽车需要扩大范围并增加快速充电选项的可用性。 更多的工业直流快速充电站进入市场，因为它们可以在20分钟内将电动汽车充电到80％的容量。相比之下，家中的交流充电器可能需要整夜才能达到完全充电。GlobalMarketInsights的一份报告估计，直流快速充电站的市场 到2032年将从2022年的85亿美元增 长到1100亿美元。 建立在快速充电站上的基础设施会影响一切，从新电池的设计方式到电池组的设计方式 经过测试和制造。EV电池不仅需要能够处理更高的电压以实现更快的充电，而且还必须在更宽的范围内进行测试 要了解的场景： •环境对充电速度的影响 •快速充电对电池寿命的影响 例如，一些早期研究探索天气对直流快速充电的影响发现，在极端寒冷的天气下，充电率急剧下降。这不仅对消费者电动汽车市场 ，而且对使用大容量电池的时间表驱动的重型运输车队产生重大影响。 对更高功率充电和可变的需求增加 环境条件将需要结合这些不断变化的要求进行电池开发和测试。 投资于面向未来的电池测试 下一代EV电池从更好的电池开始。在电池 成本降低的同时，大多数锂离子电池使用圆柱形电池，因为它们成熟且制造成本较低。但是 ，由于其形状，圆柱形电池在功率方面存在限制。下 EV电池时代需要更多的能量密度来提高续航里程，同时需要更多的电量来支持快速充电 。 OEM和电池开发人员正在研究新的形状因子和电池化学，以增加电池密度和功率 。棱柱形电池越来越受欢迎，因为它们比圆柱形电池更大，并且可以在相同的体积中提供更多的功率并存储更多的能量。 新的电池化学物质还可以减少制造过程中的碳排放，同时保持或增加能量密度。例如，减少锂-镍-锰- 氧化物阴极，用更便宜、更丰富的替代品代替它可以降低成本 以及生产排放。 这些创新以多种方式影响电池设计和测试 ： •新的电池单元外形规格:棱柱形，小袋，圆形，甚至纽扣电池都会在尺寸和标签位置上产生重大变化。 电动汽车电池创新特殊报告2023年11月3 EV电池 更快、风险更低的化学物质。例如，使用真实世界条件的仿真测试电池将确保电池在其预期用例中的性能。测试系统必须同时处理数百个不同形状因子的电池样本，并通过单独的通道控制来获得更大的灵活性。测试还应 可定制以表征在不同取向、气候和从标准或现场测量得出的驱动曲线下的电池性能。 满足高功率电池组测试要求 随着单个电池被组装成模块和电池组，测试 从表征内部电池动力学转变 图2：开发周期的每个阶段都需要能够支持所需电压的测试环境。 这些变化影响了这些细胞需要连接到测试设备的方式。因此，即使细胞设计在模型之间发生变化，灵活的固定对于确保适应性也至关重要。 •新的细胞化学：有深入的研究来开发具有更 大能量密度、可持续生产或特定应用优势的新 细胞化学。然而，为了生产 使用这些新的电化学组合的电池、不同的电压边界和充电-放电速率必须在选择最佳的电化学组成之前进行表征以满足各种性能和成本参数。 •充电速度更快：更快的充电导致更高的电流需求和更快的瞬态 因此，测试设备必须跟上更高的恒定电流和脉冲。 •测试更持久的电池:测试更持久的电池需 要更长的测试周期来验证最大周期计数和 通道占用。这需要无数次的充电和放电。具有再生功率的电池循环设备将有助于降低运营电力成本。 电池开发的新方法可以帮助公司研究和部署新的形式因素 分析模块和其他车辆电子设备之间的组件互连 。其他测量包括确定组件的耐用性，在不同条件下的性能，峰值功率和故障风险。 在电池组级别，更快的充电需要测试系统 可以支持更高的电压来增加功率，而不会显着增加电流。例如，从400V系统转变为800V系统，以及可能出现的1,000V系统。 新电池化学的引入也在电池组水平上产生了不同的电压和电流范围。随着汽车中使用电池组的新方法，多通道系统和不同的功率需求正在出现。 以非常快的速度为电动汽车充电的能力是整个电动汽车电动化的关键美国 411月2023 带有内置继电器触点和充电端口的包变得越来越普遍。这需要 多通道包测试系统和并行操作的实现。同样有趣的是，将细胞整合到包装中 的趋势越来越受欢迎。传统上在模块级别执行的测试现在在包装上进行，并且单个细胞测量在此应用模型中变得越来越重要 。 促进电动汽车电池开发的这些进步需要战略技术路线图，可以支持 电动汽车电池创新特别报告 储能 储能逆变器 交流壁式充电器 电池制造 光伏阵列 光伏逆变器 直流充电站 电池单元、模块和电池组的设计验证/表征 车载充电器电池DC-DC转换器动力总成低压电机组逆变器系统 电网 图3：汽车制造商越来越多地使用仿真来验证电动汽车与生态系统不同部分的一致性。 当前和即将到来的电动汽车趋势，如车辆到电网(V2G)应用。 在上路之前模拟现实世界的生态系统 随着电动汽车生态系统的发展，包括更快的充电站和与电网的整合， 电池管理系统必须能够考虑更广泛的现实场景，以确保安全的电池操作并帮助延长电池寿命。 除了测试电池组架构外，电池设计者还必须进行广泛的测试以模拟真实的 世界环境，如： •所有组件的相互作用 参与包装，以及它们的相互影响 •所有电气和机械部件的内部通信 •与充电站和电网的外部通信 •电池组的热和电反应以及热管理正在获得的应用领域 动力是支持V2G的电动汽车，而不是从充电站到电动汽车电池的经典单向电力流，电池可以将电力供应回电网，以帮助在高使用率时平衡电网。 已经进行了研究，看看在V2G中是否频繁使用EV- 图4：实验室中模拟充电站的速度EV一致性测试。modewillcausecapacityandpowerfade.Whileusefulforearly预后,itisalsoimportanttoanalyzetheimpacttowardthebattery’send- 在寿命阶段，降解率可以变成指数级的 。 仿真功能的进步正在帮助电池设计人员更快，更准确地测试现实场景。开发人员现在不再使用实际设备，而是依靠仿真器来测试动态，电气甚至气候压力。 模拟各种场景需要一个可以同时处理数千个测试通道的系统。该系统还应该与公司的实验室集成 管理软件平台，使实验室管理人员可以更好地利用他们的资源和从每个单元，模块或包装收集的大量数据，以改善设计迭代。 虽然在研究和设计阶段进行广泛的全系统仿真测试可以帮助确保 性能和安全规范得到满足，大批量制造过程中的质量检查点也在 最终的电池质量和成本。 确保从蓝图到生产的质量 从电池设计到制造的过渡需要彻底 电动汽车电池创新特殊报告2023年11月5 EV电池 图5：电池循环和老化是复杂电池制造过程中最耗时的阶段。 从实验室到电池gigafactory的验证设计蓝图，它面临着一系列不同的挑战。 对于千兆工厂来说，吞吐量是生产力的重要晴雨表。在锂离子电池的制造过程中，电池的形成和老化阶段是最耗时的。在电池老化期间，制造商必须测量电池的自放电率，即使它没有连接到任何设备。目的是识别出现异常的错误电池 或过度自放电，因为这种“坏”电池会对模块和电池组的性能产生不利影响。 电池可能需要几天、几周或几个月的时间来表现其自放电,然而,在时间和成本敏感的制造环境中,使用开路电压(OCV)方法跟踪自放电的传统方式是不实际的。 相反，制造商正在使用一种新的恒电位测量方法来直接测量电池的内部自放电电流，这种方法通常需要数小时或 更少的-节省时间和宝贵的地板空间，因为不必为这个至关重要的质量检查保持细胞 。 生产可以更快地充电的更强大的电池单元需要在gigafactory中进行额外的电池循环和更多的数据 tocaptureandsortthroughtodeterminethecell’scyclelifeandhowthechargerateaffectthecell’slife.Ascellcapacity 迅速增加，研究人员和制造商也将需要源和吸收更大的电流。 为了避免昂贵的电力消耗，现代电池循环器采用再生电力，其中在电池放电期间再生的电力被循环回电网，从而减少净能耗以降低运营成本。该过程还在电子设备中产生较少的热量，从而减少了从生产设施中去除热量的需要。 随着gigafactory中单元格格式化和老化过程的每一步，确保投资 提高吞吐量并帮助降低生产成本的设备将有助于实现降低电动汽车电池整体成本的目标。 为电动汽车提供更好的电池 随着车辆电气化的不断推进，电池开发商 制造商必须抢先电池测试能力的新要求。增加 电动汽车电池功率和容量、充电需求和生产优化要求研究人员和制造商在满足这些需求的同时也要提前规划。 这些创新无疑将有助于进一步扩大开发和制造更好的电池 为下一代电动汽车提供动力，满足消费者对更长距离和更快充电的期望，以及更广泛的汽车行业的目标 可持续的电力未来 有关更多信息，请访问 keysight.com/find/e-mobility 611月2023电动汽车电池创新特别报告 推进更高的速度和新技术 for电动汽车再充电 两项新举措解决了使电动汽车充电更快或根本不需要“停机”的方法。 电动汽车电池创新特别报告 T 他以非常快的速度为电动汽车充电的能力是在美国实现电动化的关键。这是美