電動車電池技術為永續發展注入動力

作者 : ADI供稿

電動車的舊電池如果加以再利用,將可望以更深刻的方式改變世界——把小型離網電源帶到世界的偏遠地區,這些地區的醫療、教育和經濟發展取決於能否獲得廉價的再生能源。

隨著電動車(EV)電池技術不斷發展和提升,我們很容易想像未來世界的交通:無論是私家車和SUV,還是卡車產業都靠電池運作,碳排放量將大幅減少,但這僅僅是開始。電動車的舊電池如果加以再利用,將可望以更深刻的方式改變世界——把小型離網電源帶到世界的偏遠地區,這些地區的醫療、教育和經濟發展取決於能否獲得廉價的再生能源。

雖然美好未來的基礎工作已在奠定中,但電池製造商仍面臨嚴峻挑戰——從降低電動車電池的高成本(使電動車能與內燃機汽車競爭),到製造可再利用和可回收的電(這樣當電池不再能用於電動車時,還能在其他用途上創造價值)。

那麼,如何才能讓基於電池動力的未來成為現實呢?答案不僅取決於消費者、決策者和電力公司的支援,還取決於能否建立合適的合作夥伴關係並進行正確的投資。

引領變革

電動車的潛力令人振奮,尤其是在環境影響方面。越來越多企業將永續發展視為優先事項,研

究顯示,注重生態的做法可以轉化為銷售的成長,電動車領域也是如此。2017年,全球電動車銷量突破100萬輛大關,緊接著在2018年,銷量突破200萬輛(210萬輛),成長了65%。但在2019年,受全球汽車銷量整體下滑的影響,銷量僅成長9%(為230萬輛)。儘管如此,預計到2030年,電動車的需求將成長十倍。全球幾乎每個地區都推出了更新的電動車普及激勵措施,且所有大型OEM都在著手實現車系的電氣化。全球都在加大對電氣化的投入。

但是,電動車產業仍然存在一個價格比較問題。預計到2030年時,電動車電池的成本將持續下降,但佔電動車成本三分之一以上的電池成本,仍然是電動車實現與汽油動力汽車價格持平的主要障礙之一。

一種潛在的解決方案是採用高度精準且安全的電池管理系統(BMS),該系統可協助汽車製造商和零件製造商彌合目前的高成本電池與未來更便宜電池之間的差距。

對於已經開始重資進行電氣化的卡車等產業而言,這種效率更為關鍵。McKinsey的一項研究顯示,如果電池能夠滿足需求,那麼到2030年,多達20%的中型卡車將是電動卡車。加州大學柏克萊分校交通永續發展研究中心聯席負責人Susan Shaheen表示:「電動車輛可能需要額外的停工時間以便充電,這會對業務績效產生不利影響,因為電動車輛處於無收入狀態的時間要長於汽油驅動的車輛。」

 

2030年電動車在整體汽車銷量中的佔比預計將達到約20~25%。

(來源:Bloomberg新能源財經發佈的2020年電動車展望)

 

效率始於精整階段

電動車電池技術和電池製造與管理方面的最新創新可能會徹底改變商業和消費場景。電池的生產和精整階段——電池化成和測試——對於確保產線效率非常重要,電池化成的全部目的就是確保所製造的電池單元在整個生命週期中擁有最大容量和最高可靠性。對於電池製造商和儀器供應商而言,提高電動車生產的規模和效率是把握電動車市場機遇的關鍵。

改善電池工作條件

與油箱等單一儲能元件不同,電動車的電池組由數百或數千個協同工作的電芯組成。當電源流入或流出電池組時,必須以有保證的精準度對電池進行精密管理,以確保即使在最惡劣的條件下,包括極端溫度和具有電磁雜訊的環境中,電池也能在車輛的整個生命週期內提供較大的可用容量。除此之外,為了確保安全性,電子產品必須從一開始就精心設計,以完全符合全球所有嚴格且不斷演變的安全標準要求。這些標準並不僅限於ASIL-D標準,還需要開發創新的電池功能性架構。

由此出發,ADI的電動車鋰離子電池管理系統不斷測量每個電池單元的電壓,這不僅對電池續航能力和性能有利,而且還能保證較大安全性。高度準確的充電狀態測量使汽車製造商和零件製造商能夠安全地輸出最大功率。

更好的電池

改善電池續航里程和性能是全面採用電動車的關鍵所在。更智慧、更精準的電池管理系統已經在協助汽車製造商和零件製造商讓電池支援更長行駛里程。

 

隨著BMS性能不斷提升,電池將更佳能支援電動車行駛里程的延長和自動駕駛車的感測器。

 

無線束設計消解系統複雜性

新的無線電池管理系統(WBMS)為業界帶來顛覆性的變化。ADI最近開發的無線電池管理系統以有線BMS的現有元件為基礎建構,無需再使用線束將電芯連接在一起,可以節省工程設計和開發成本,並消除相關的機械性挑戰和線束帶來的複雜性。它還使得電池盒設計具有高度模組化和可伸縮特性,因此可以反覆用在不同車型的設計中。

此外,由於每個電池模組都是無線的,因此可以在從電池化成開始,到儲存和組裝,再到在車輛中使用這整個過程中收集和儲存資料,從而實現電池狀態計算,提供電池組的剩餘電量。此舉降低了電池的成本,且使電池梯次利用(或二手利用)更加有效,例如用在儲能、回收或其他應用中,從而降低製造商和車主的總成本,並限制對環境的影響。

換車:電池梯次利用

電動車的廣泛採用將對環境產生重大影響。根據ADI的資料,在2019年,裝備了該公司BMS技術的車輛因為採用了超精密電池性能測量且行駛時不需要內燃機,每年減少了約7,500萬噸二氧化碳排放,這相當於8,000萬英畝成熟森林的碳吸收能力。

不過,電動車電池技術還有更多利好:電池梯次利用。電動車的電池只要在整個生命週期中管理得當,則耗損並不表示一定要報廢。拆下電動車電池以在儲能解決方案中再利用,可能是向離網社區供電的一個關鍵因素。考慮到9.4億人(佔世界人口的13%)沒有電力供應,還有30億人(佔世界人口的40%)沒有清潔的烹飪燃料,不難想像對微型和離網電源解決方案的需求是多麼巨大。

經濟實惠的電力供應將帶來許多改變生活的多米諾骨牌效應。消除不安全烹飪燃料的使用可改善室內空氣品質,從而改善健康狀況;電力可以為照明設備供電,讓孩子們在天黑後可以學習;供應潔淨水資源和淨化廢水的設備也能運轉;透過網際網路連接進行數位通訊成為可能。因此,電池梯次利用有可能激發人們曾經認為無法實現的經濟發展收益。

 

無線電池管理系統使電池梯次利用(或二手利用)更加有效。

 

這使得ADI為電池管理系統帶來的精確度成為汽車製造商的一個更重要考慮因素,而二次應用的所有者(例如儲能系統製造商)將從無線技術中受益匪淺。該技術不僅支援OEM,還能幫助創造圍繞電池回收的全新產業和商業模式。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年2月號

 

 

 

 

 

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