盖世汽车讯 据外媒报道，由密歇根大学工程学院（University of Michigan Engineering）主导的一项研究显示，采用一种新的电池加热与冷却方法，电动汽车电池的使用寿命有望延长一倍，从而避免昂贵的更换费用。通用汽车（General Motors）和伦敦帝国理工学院（Imperial College）也参与了这项研究，该项目获得了美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）的资助。相关论文发表于期刊《Joule》。

图片来源： 密歇根大学

该系统旨在利用现有电池管理系统已采集的电压与充电数据，而无需在电池内部加装新传感器。它最适用于家庭、工作场所及公共停车场常见的低功率“一级”（Level 1）和“二级”（Level 2）充电场景，预计能满足绝大多数电动汽车的充电需求。

“最令我兴奋的是，这项研究将电池材料与电池管理以一种非常直接的方式联系了起来——而这两者往往是脱节的，”密歇根大学机械工程专业博士生、这项研究的第一作者Zhiwen Wan说道，“只有在电池材料被应用于实际产品后进行智能管理，它们才能真正发挥出全部价值。”

硅如何改变电池？

特斯拉（Tesla）和梅赛德斯-奔驰（Mercedes-Benz）等制造商正越来越多地在其锂离子电池中采用硅与石墨的混合材料，因为硅的储锂能力约为石墨的10倍。不过，硅也有一个短板：相比石墨，它对充放电循环更为敏感。

既往电池研究发现，在低荷电状态下，硅承担了更多的工作负荷且损耗更快；而在高荷电状态下，则主要由石墨承担大部分工作。许多电动汽车电池管理系统正是利用了这一特性，将电池电量维持在设定的阈值之上。

研究团队发现，随着电池老化，这一硅材料的转变阈值实际上会根据使用模式发生上移或下移。这意味着现行的管理方式要么过度限制电池使用（从而缩短续航里程），要么限制不足（导致电池过快失效并引发昂贵的更换费用）。

密歇根大学机械工程教授、该研究资深作者Anna Stefanopoulou表示：“目前的电池管理系统通常采用固定的电压、充电和温度阈值。我们的研究为开发具备主动诊断功能的管理系统开辟了新途径；这种系统能够深入电池内部，识别不同材料的老化状况，并据此动态调整运行策略。”

识别硅材料面临风险的时刻

硅材料虽性能卓越，却也“娇贵”难伺候：每当电池从零电量充至满电时，硅材料的体积可能会膨胀高达300%。长此以往，活性硅和锂的损耗会导致电池性能衰退。

就像冬末时节密歇根州的道路一样，硅颗粒会因反复的膨胀与收缩而开裂，进而脱离电池的导电回路。更糟糕的是，电池会试图通过在裂纹处形成保护膜来进行“自我修复”，但这反而会将锂离子永久地锁死在其中。

为了探究不同衰退路径如何影响硅材料“负荷加重”的临界点，研究团队将一款新电池与三种代表不同衰退模式（锂流失、活性硅流失以及两者混合流失）的寿命终期电池进行了对比。这些硅-石墨软包电池均由研究人员在密歇根大学电池实验室制造。

研究发现，电动汽车驾驶员的使用和充电习惯会改变硅材料最易受损的临界状态。通常，将电池电量耗至低位会加速硅材料损耗并降低该临界点；反之，若电池长期保持高电量状态，则会导致锂流失并推高临界点。在容量同样衰减30%的电池中，硅材料活性最强的临界点出现在33%至73%的荷电状态（SOC）区间内；针对这些不同的临界状态，需要采取截然不同的管理策略。

一种考虑电池老化特性的电池管理系统

另一系列在低温、室温和高温（分别为32°F、77°F和113°F）条件下进行的电池循环测试揭示了一个令人惊讶的趋势：对于所研究的硅-石墨电池而言，在较高温度下进行循环有助于保持活性硅，其循环寿命几乎是室温循环条件下的两倍。然而，在电池静置期间的存储测试却显示出截然相反的结果：较高温度会加速锂的损耗。

这种差异为未来的电池热管理策略提供了一条简单的准则：利用已确定的硅活性阈值，在硅处于活跃状态时将电池加热至113°F，而在石墨处于活跃状态或电池处于静置状态时，则将其冷却至77°F。

该研究的共同作者、密歇根大学机械工程研究副教授Jason Siegel表示：“我们发现，较高的温度并不总是有害的。关键在于必须有选择地施加热量。当硅处于活跃状态时，升温有助益；但在电池处于静置状态或石墨发挥主导作用时，则应降低温度。”

该新系统还能评估其估算结果的可靠性，从而判断何时硅相关的边界特征足够清晰，足以指导运行。为了避免给车载计算机造成过重负担，该方法在减少数据处理量的同时，仍能保持近乎完美的准确度。