预防胜于治疗——如何使用 EIS 改善电动汽车的电池健康

电动汽车（EV）已经 吸引了很多人 在过去几年中，受全球向清洁能源和可持续交通转变的推动。

由于电动汽车不会产生任何尾气排放，因此其对环境的益处远大于汽油和柴油汽车。这使得电动汽车成为实现公路运输脱碳的关键技术，而公路运输约占全球排放量的六分之一。

它们的运行和维护成本也比内燃机汽车低，从而使其更加高效且经济实惠。

与此同时，电动汽车的普及和采用率正在大幅增长，2023 年售出的汽车中，近五分之一都是电动汽车。继 10 年突破 2020 万辆大关后，去年上路的电动汽车数量已达到 40 万辆。

仅在2023中， 电动车销售 电动汽车销量接近 14 万辆，其中 95% 在中国​​、欧洲和美国。由于电动汽车销量的扩大，电动汽车目前占全球新车总销量的 20% 左右，预计到 50 年将飙升至 2030%。

然而，电动汽车并不只有一种类型，而是有多种类型：

• 纯电动汽车 (BEV)
• 插电式混合动力汽车 (PHEV)
• 混合动力电动汽车 (HEV)
• 燃料电池电动汽车 (FCEV)

其中，电池驱动的电动汽车最为常见，占70年电动汽车保有量的2023%。

纯电动汽车完全由电力驱动，可通过外部电源充电。其效率比混合动力汽车和插电式混合动力汽车更高。

鉴于电池是电动汽车的能源，因此它们是电动汽车最重要的部件。通过取代内燃机，电池电动汽车可以显著减少污染，帮助整合风能和太阳能等可再生能源，并确保可持续性。

对于电动汽车来说，电池的状况决定了其性能。电池的大小（以千瓦时为单位）决定了电池可以储存多少电量以及电动汽车一次充电可以行驶多远。

电池的能量密度越高，每次充电的续航里程就越长。此外，快速充电对于电动车主快速给车辆充电至关重要。

现在，电动汽车使用各种电池，其中最常见的是锂离子电池。铅酸电池因其成本效益高、使用寿命长而广受欢迎，尤其是在美国，而锂硫电池则增加了理论充电容量。

除了日益增强的环保意识和政府激励措施之外，电池技术的进步使得电动汽车更加高效、价格更加实惠，从而推动了电动汽车的普及。

因此，电池在电动汽车和更广泛的清洁能源转型中发挥着关键作用，因此必须更好地了解它们的运行情况和状况。为此，研究人员开发了一种新技术，可以高精度地监测电池的状态，以最大限度地提高电池的效率和长期稳定性。

电动汽车电池精准诊断技术

韩国科学技术院 (KAIST) 的研究人员发明了这项新技术，仅使用少量电流即可准确诊断电动汽车电池的状态，这对于电池的有效管理和安全使用至关重要。

这种发展是 公布 韩国科学技术研究院上周发布消息称，该院电气工程学院 Sang-Gug Lee 教授和 Kyeongha Kwon 教授领导的研究团队已经建立了电化学阻抗谱 (EIS) 技术。

该EIS技术可用于提升电动汽车高容量电池的性能和稳定性。

电化学阻抗谱是一种强大的工具，它可以测量电池的阻抗大小和变化，从而评估电池的效率和损耗。

电池阻抗只是电池内电流流动阻力的测量值。这种非侵入式的电池故障预防方法只是识别电池虚弱或劣化的早期迹象，并检查其性能和状况。

它是评估电池充电状态和健康状况的重要工具，还可以分析化学或物理变化、描述热特性、查明故障原因并预测电池寿命。

然而，传统的EIS设备不仅价格昂贵，而且结构复杂，安装、操作和维护困难。

然后还有精度和灵敏度限制的问题，这意味着当我们对电池施加几安培的电流干扰时，它会导致很大的电应力。这反过来又增加了火灾或电池故障的风险，因此在实际应用中很难使用。

因此，为了解决所有这些问题，韩国科学技术研究院的工程团队创建了一个低电流 EIS 系统来诊断高效电动汽车电池的状况及其健康状况。

新系统可在低电流干扰（例如 10mA）下准确测量电池阻抗。在测量过程中，新的 EIS 技术可最大限度地减少热效应和安全问题。

该系统的另一个好处是减少了对笨重且昂贵部件的需求。因此，人们可以轻松地将其集成到车辆中。

新的 EIS 系统实际上已经证明其能够成功确定不同操作条件下电动汽车电池的电化学特性。这包括各种温度和充电状态 (SOC) 水平。

该系统易于集成到电动汽车的电池管理系统 (BMS) 中，而且与传统的大电流 EIS 方法相比，具有高测量精度以及降低的复杂性和成本，这使其对电动汽车真正有益。

据通讯作者 Kyeongha Kwon 教授介绍，该系统还可以用于电池诊断和储能系统 (ESS) 的性能改进。

电动汽车电池状况和安全性的其他发展

鉴于电池的重要性，研究人员一直在研究不同的方法来更好地了解电池的状况。毕竟，电动汽车电池的容量 约 10 年内下降约 6.5% 持续运行。过度充电和过度放电也会导致电池寿命下降。

去年，密歇根工程学院的一个研究小组 创建了一个公式 无需拆开电池即可诊断和监控电池。该公式还可应用于其他光子和电子设备，适用于任何电池材料组合。

研究人员研究电池的一种方法是施加弱交流电，类似于墙上插座的电流，但要弱得多，以探测电池。在此过程中，阻抗会根据交流电的频率或改变方向的速度而变化。

一个关键指标是阻抗如何随频率变化，通过从低到高扫描频率获得。要实现这一点，必须在电池材料和其特征之间建立一种关系。然而，该团队想出了自己的公式来描述这种关系。一旦在几个频率下测量阻抗，该公式就可以预测大范围频率范围内阻抗与频率的关系。

研究团队表示，该公式仅使用几个实验数据点即可展示材料阻抗。它简化了模拟电流通过由各种材料制成的设备时的整个过程，而且也不需要事先了解材料的微观结构。

它可以进一步帮助设计更好的固体电解质，精确定位电池其他组件的阻抗特性，并建立精确的电池模型，以在充电和放电时提供更安全、更高效的控制。

当时，该团队表示，他们计划利用该公式进行理解，然后设计混合材料的固态电解质，可以提供更高的容量和更好的安全性。

电池结构设计、材料和监控系统正在不断进步，增强了防止内部短路和热失控的安全措施。为此，研究人员越来越关注硅基阳极的作用，特别是阳极层内的 SiO 颗粒分布，以实现更高的能量密度，同时控制循环过程中的不利影响，从而提高安全性和使用寿命。

在电池设计和组装方面，粘合剂也逐渐成为关键部件，其优势包括通过优化电池单元和冷却系统之间的热界面来提高性能、通过粘合各种材料来提高设计灵活性、改善能源管理以确保安全、通过简化制造流程来节省成本。

研究人员和公司也在利用人工智能来发现和制造电池材料。尽管电动汽车电池技术近年来取得了长足进步，但在材料、设计、续航里程和电池管理系统方面仍然存在一些问题。

电动汽车中的电池管理系统 (BMS) 旨在通过优化电池性能来确保效率、安全性和使用寿命。传统的电池健康和充电估算方法无法预测未来的电池性能下降，因此需要使用 ML 算法来分析实时数据，以精确估算电池健康状态 (SOH) 和充电状态 (SOC)。然后，BMS 使用这些估算值来优化电池性能。

全球电动汽车电池化成和测试市场实际上是一个快速增长的市场， 1.9年价值2023亿美元。预计未来八年该市场的复合年增长率将超过 17.6%，到 ​​7.8 年将达到 2032 亿美元。

这一增长的推动因素包括：电动汽车的普及和随之而来的电池产量的增加、电池化学技术的进步、电池安全性和可靠性要求，以及对可持续性和减少碳排放的日益关注。

几个月前，美国能源部 (DOE) 也 公布 为推进关键电池领域研究、开发和部署的项目提供 43 万美元资金。该计划旨在推动低成本电动汽车电池制造的创新，减少故障，提高电池安全性，并加强国内电池材料供应链。

这符合美国国家交通脱碳蓝图，该蓝图旨在通过先进的电池技术为安全高效的零排放电动汽车提供动力，到 2050 年消除交通运输部门的所有排放。

助力推进电动汽车电池管理的公司

现在，让我们来看看那些致力于电动汽车电池健康技术、BMS 系统和 EIS 进步的公司，这些对于维持电动汽车市场和优化电池寿命和安全性都至关重要。

伊隆·马斯克（Elon Musk） 特斯拉 (TSLA -1.16％) 是其中最知名的一家，该公司在电动汽车的高容量和长寿命电池方面投入了大量资金。特斯拉股价今年上涨了 4.83%，目前市值为 830.7 亿美元。

然后是 3.24 亿美元的市值 QuantumScape公司 (QS +19.87% )该公司开发用于电动汽车的固态锂金属电池，而该公司市值 1.9 亿美元 Enovix公司 (环境变量X +10.4% ) 正在开发先进的硅阳极锂离子电池。市值 11.18 亿美元 雅宝公司 (ALB +7.57% ) 是一家领先的锂生产商，致力于提高电池效率和安全性。QS、ALB 和 ALB 的股价今年分别下跌了 6.47%、34.14% 和 13.14%。

ADI公司 (ADI +0.43% ) 是一家市值 114 亿美元的公司，其股价今年迄今上涨了 15.67%。同时，它还为电动汽车电池提供电池管理系统 (BMS) 解决方案。

现在，让我们深入了解另一家今年表现良好的相关公司。

通用汽车公司 (GM +0.06% )

这家市值 59.2 亿美元的汽车巨头的股价今年一直呈现良好上涨势头。距离 2024 年仅剩两个多月，通用汽车股价已飙升 46.77%，交易价格为 52.9 美元。其每股收益 (TTM) 为 9.37，市盈率 (TTM) 为 5.63，股息收益率为 0.91%。

通用汽车除了提供软件支持的服务外，还参与轿车、卡车和汽车零部件的设计、制造和销售。该公司还通过 Ultium 平台为其电动汽车车队开创了电池技术、安全性和性能方面的进步。

Ultium 于 2020 年首次亮相，其首席执行官玛丽·巴拉 (Mary Barra) 称其为：

“多品牌、多细分市场的电动汽车战略具有规模经济优势，可以与我们的全尺寸卡车业务相媲美，但复杂性更低，灵活性更高。”

在最近的一次会议上，巴拉宣布 Ultium 电池品牌将消失，但表示电动汽车销量将会改善。通用汽车的电动汽车产品线包括雪佛兰 Equinox 和 Blazer、GMC Hummer EV、凯迪拉克 Lyriq 和凯迪拉克 Celestiq。

不过，通用汽车电池部门副总裁 Kurt Kelty 承认 Ultium 在帮助其推出各种全新电动汽车车型方面发挥了重要作用，他指出：

“(该公司)从一刀切式电池转向新项目专用电池。”

通用汽车目前正在关注几种电池化学成分，以便更好地满足性能要求。

该汽车公司还计划在密歇根州建立一个电池原型中心，该中心将于 2027 年开放，这可以帮助将电池开发时间缩短一年。

本周，通用汽车 报道 通用汽车公布了 3 年第三季度的财务报告，报告显示，该季度营收为 2024 亿美元，同比增长 49%，调整后的汽车自由现金流为 10 亿美元，较去年同期增加 5.8 亿美元。在此期间，通用汽车回购了价值 900 亿美元的股票。

该公司第三季度在美国零售市场的份额有所增长，而中国市场的经营环境依然严峻，通胀压力也导致保修成本增加。

至于电动汽车，该公司今年有望在北美生产 200,000 万辆电动汽车。在取得进展的同时，通用汽车的电动汽车业务仍在努力实现盈利，并预计电动汽车亏损将减少 2 亿至 4 亿美元。

结语

随着清洁能源转型在政府政策、激励措施和产业战略的推动下急剧加速，世界已转向电动汽车。电动汽车的快速增长凸显了电池的重要作用，因此需要高效率和安全性。在这里，电化学阻抗谱和创新电池管理系统等技术可以帮助我们改进监测电动汽车电池健康状况的方式，并有助于更安全、更可持续地使用电动汽车。

随着越来越多的研究、公司和政府专注于改进电动汽车电池诊断，我们将看到续航时间更长的电池、更安全的设计和更高效的电力存储，所有这些都是电动汽车实现主流普及的关键。这些创新可以进一步帮助实现雄心勃勃的全球气候目标，从而带来更清洁、更可持续的未来。

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