【汽车创新三大驱动力】系列之一： 解决电动化和电池测试挑战的方法探讨

电动化、网联化、智能化以及它们独特的测试挑战和解决方案，正在驱动整个汽车行业新一轮革命。本系列文章的讨论顺序是电动化、网联化和智能化，智能化虽然放在最后但依然同样重要，例如自动驾驶。探讨这三个趋势，从第一个驱动力开始——电动化和电池。

围绕电动汽车和电池的最大问题之一，是如何提高单次充电的容量和续航里程。而围绕续航能力有一些关键绩效指标，同样围绕电池的效率、加速和快速充电能力也有一些关键绩效指标。我们今天看到的趋势是锂离子电池，但在未来，我们将看到向固态的转变。这主要是由固态电池带来的重量减轻和密度增加所推动的，而重量是影响车辆续航能力的一个关键因素。

距离 VS持续时间：对电池性能来说，哪个更重要？

为了提高单次电池充电的续航能力，需要增加能量容量，有两种潜在的方法可以做到这一点。第一，可以增加车辆中每个电池组的电池单元数量，但由此也会带来车辆的价格和重量增加，这对续航能力和消费者来说都不是好事。 第二，可以增加以每小时瓦特为单位的电池能量密度，事实上，这也是目前业界正在追求的道路。

市场在考虑提高电池续航能力时，还采取了另一种方法，即从传统的电池-模块-电池组的方法演变，完全跳过模块，直接从电池到电池组，从而减轻车辆的重量。 此外，还需要在电池组中的能量与如何有效地将其转化为实际推动车辆前进的能量之间进行有效的能量转换，这就是牵引电机的转换效率。

在电池改进方面，正在研究的三个主要事项是增加每小时的瓦特数，从电池模块包中移除模块，完全跳过模块，以及有效的能量转换。那么，在这三个方面最大的挑战是什么？哪一个面临的挑战最大？首先让我们看一下电池的属性。

电动汽车的五个电池属性

在电池中，有五个主要属性需要考虑。

Ÿ能量密度

Ÿ成本

Ÿ为车辆充电和供电的速度

Ÿ电池寿命

Ÿ安全性

汽车应用对电池的独特要求包括某些设计上的考虑，这些考虑超出了消费电子产品的要求。例如，汽车应用有更严格的技术要求，如电池寿命需要持续10~15年，还需要能够在-30~52℃的温度范围内正常运行。 最后，它们的成本应该低于每千瓦时一百美元。 单一的电池技术或化学成分要达到以上这五个属性的所需水平，将是非常具有挑战性的。

锂离子电池的最大缺点是容易过热，在非常高的电压下容易损坏。在电池的使用寿命中，能量储存能力也会减少。未来，当我们转向固态电池时，其中一些权衡因素将不再是一个问题。

围绕动力系统和电池的测量挑战

在动力系统方面，电动马达的功率和效率是评估和与电池存储相互作用的决定性变量，它们决定了电动汽车的里程和续航能力。在动力系统方面，一些特定的测量，如机械测量、DQ测量、DQ0测量以及电气测量，对确定其能量转换效率非常重要。在电池方面，不同的测试方法是针对电池级、模块级和系统级而开发的。 一旦把它们打包，用于电池级的相同仪器也可以用于系统级。 从电池的角度来看，一些常见的测量方法是围绕着内阻测量（这是一个直流测量）、开路电压（这是在静置一段时间后，电池两端的电压测量）。除了这些锂离子电池的特征，还有泄漏电流、充电和放电脉冲等。

汽车系统测量的挑战

电池制造商正致力于提高电池的寿命，减少充电时间和提升能量密度。因此，当我们考虑电池组水平时，有一些汽车测试项比其他测试项更为重要，例如使用Keithley 2400系列SMU进行母线焊接测试。当我们把不同的电池放在一起时，我们需要检查不正确的焊接，因为这会产生过多的热量，从而导致电池性能不佳，甚至失效。然后是温度和环境测试，以及自放电测试。电池管理系统是一种智能系统，可以监测电池组的充电状态和健康状态，电池管理系统的测试需要满足标准。

符合测试标准

要想大幅扩大电动汽车市场，仅靠电池技术的进步是不够的。政府法规和标准是至关重要的，此外，还需要完善配套充电基础设施，以减少司机对车辆行驶里程的焦虑。就泰克而言，我们是多个标准组织的成员，并积极参与这些新兴测量科学的进一步研究。例如，泰克是JEDEC委员会、JC-70、70.1、70.2工作组的成员。最近在APEC 2022上，泰克提交了一篇关于DQ0的三相电机论文，使用MSO5B系列评估电机机械性能的关键测量方法。新的测量方法正在设计和规范中，泰克与行业合作伙伴和标准机构密切合作，以确保我们能够准确可靠地测量所有这些领域。

根据行业估计机构预测，到2030年，电池市场预计将以约30%的复合年增长率增长，达到约4,000千兆瓦时的产能——相当于未来10年新增约90个千兆工厂。