二战后，经济繁荣导致美国人购买创纪录数量的汽车(导致严重污染)。今天，我们有了更节能的汽车——比如混合动力汽车和电动汽车——而另一个“繁荣”正在发生，这次是自动汽车(AVs)。同样，污染也是一个问题，但方式不同:关于自动驾驶汽车应该使用混合动力发动机来最大限度地提高利润，还是全电动发动机来最小化污染，存在着争论。
自主车辆应该是混合动力的还是电动的?
想象一个未来人人路上用的是反车辆。这似乎直接出自未来主义的网飞电视连续剧黑色镜子对吗?现在，想象一下，如果这些自动汽车排放出污浊的废气，需要定期去加油站加油。这似乎不合时宜，就像给智能家居配备最新的物联网设备……只是为了用拨号上网把它们连接起来。
自动驾驶汽车不是也不会仅仅由汽油驱动。取而代之的是，核心问题是是否应该只制造全电动自动车辆，还是也可以生产混合动力发动机的自动车辆。双方都有争论。
电动汽车在充电站通电。桑蒂里·维纳姆基的图像——自己的作品。根据许可抄送-服务协议4.0，通过维基共享空间。
一方面，许多开发自动驾驶汽车的汽车公司预计，它们的主要用途——至少在最初——是集中在拼车上，就像没有司机的出租车一样。混合动力引擎结合了汽油和电力，使汽车在路上花费的时间(和赚钱)比在车库充电要多。
另一方面，一些汽车公司和环保组织担心，由于这些汽车可能会不停地载乘客和送货，污染程度会成倍增加，对环境造成严重破坏。
无论哪种方式，电动汽车电池都需要针对自主驾驶应用进行优化，并考虑电池功率输出和退化等因素。使用COMSOL Multiphysics软件和附加电池及燃料电池模块，科学家和工程师可以研究和设计混合动力和全电动自主车辆的电池系统。
具有最佳功率输出的电池设计
从本质上说，自动驾驶汽车比普通汽车包含更多的电子元件。除了汽车本身(以及它的灯、警报器和收音机)，AVs还包含导航系统、探测和测距设备。大量的电力消耗意味着电池消耗的速度会比正常情况下更快。AVs的电池需要设计得更耐用，输出更多的电能，这样才能满足能源需求。
电池管理系统
在混合动力和全电动汽车中电池管理系统是一个极其重要的设计因素。通过精确监控电池活动，BMS最大限度地提高能量输出、寿命和安全性。在等温条件下对锂离子电池建模可以帮助您分析BMS设计中的重要因素，包括:
* 电压
* 极化(电压降)
* 内电阻
* 充电状态
* 评级能力
考虑一个1D锂离子电池模型由石墨和锂离子锰氧化物(LMO)制成，这是一种经济高效且热稳定的燃料电池材料，来自电池和燃料电池模块的材料库中的默认设置。
电动汽车BMS关键部件示意图。
电池模型由四个领域组成:
1.负多孔电极
2.分离器
3.正多孔电极
4.电解质
该模型使您能够测试输入，以了解它们如何影响电池的整体性能。这些因素可以包括初始电池电压;电池容量;隔板和电极的厚度;和电池荷电状态，电池荷电状态是电动或混合动力汽车电池组中剩余电量的百分比，类似于气体动力汽车中的燃油表水平。
驱动循环
车辆根据特定的驱动循环，在此期间监测电池的变化温度和电压。驱动周期告诉BMS电池的荷电状态是什么:实际上，电池是空的还是满的。然后，控制单元停止放电(如果电池是空的)或充电(如果电池是满的)。
1D模型可以扩展到包括热分析，以便执行行驶循环监控。考虑一个混合动力汽车的电池单元，该电池单元经历一个驱动循环。
BMS和驱动循环的关键部件示意图。
工程师可以模拟锂离子电池的驱动循环，以预测其性能，分析难以测量的参数，或者验证实验结果。影响电池驱动周期的几个因素包括:
* 电池单元每个部分的内阻和极化
* 电池荷电状态
* 每种电极材料的荷电状态
* 局部温度
* 材料
当前负载输入可以从外部驱动循环数据导入到模型中，例如时间对碳比率(电池相对于其最大容量的放电比率)。在这种情况下，导入的数据对应于混合动力电动车辆的典型值。分析可以告诉你很多关于电池驱动周期的信息，包括电池电压、电势和总极化。还可以在驱动周期中确定电池和电极在负载下的荷电状态(以及温度)。
驱动循环(左)和模拟结果显示了驱动循环过程中的电池电压(右)。
该示例的结果表明，驱动循环适用于这种类型的电池设计。他们还表明，热量管理可以得到改善，以便电池能够处理更长的驱动周期。正如我们将在下一节中讨论的，优化AVs的驱动周期将影响它们在消费者运输市场的成功水平。
功率与能量评估
评级能力用于确定电池是否为其预期目的而设计。有两种选择:能量优化和功率优化。能量优化的电池具有大容量或能量供应，但电流负载相对较低，这使得它们成为便携式电子设备的良好选择。对于混合动力和电动汽车，功率优化电池是更好的选择。这些电池容量相对较低，但电流负载较高;例如，它们可以在非常高的电流下充电。
回到1D锂离子电池模型，您可以执行功率与能量评估以确定电池的额定容量。该模拟研究了在不同电流负载下，电池从其完全充电状态的放电和电池从其完全放电状态的充电。
不同放电电流负载期间的电池电压(左)和a拉贡情节用于两种不同类型的电池单元(右)。
结果显示了不同电流负载下的电池电压，可用于比较电池设计的能量和功率输出。Ragone图(上图，右图)展示了电池化学性质和放电速率对电池容量的影响。
在COMSOL软件中模拟电池退化
向自主驾驶的转变不会在一夜之间实现。许多创新者认为，当AVs第一次进入市场时，它将以拼车的形式出现，而不是一个人或一个家庭的个人汽车。从逻辑上来说，这意味着拼车公司车队中的每个影音系统每天将由大约10名乘客访问，而不是一名乘客，并且全天候运行，而不是在一个人的时间表内运行。
实际上，主要用于拼车的AVs的使用将导致汽车电池比普通的单户汽车磨损得更快。这就是容量衰减分析发挥作用的地方。
容量衰减
电池会经历容量衰减和功率衰减，但这是有区别的。功率衰减是给定放电速率下降低的电池电压。容量衰减是电池容量的损失，与当前速率无关。
放电周期中的电池电压(左)和整个周期中的电池容量(右)。
组成电池的不同电池材料以及它们之间的各种组合会导致不同的老化速率，甚至会加速老化过程，从而导致电池容量的损失。影响电池老化和退化的某些因素包括:
* 负载循环的阶段
* 潜在的
* 局部集中
* 温度
* 电流方向
通过在循环期间对电池进行时间相关分析，可以找到放电期间的电压，并将容量与总累积循环时间和总循环次数进行比较。还可以分析电解质体积分数和固体电解质相间(SEI)膜电势降与循环数和隔板电极边界上的局部荷电状态的关系。(SEI为电解质提供绝缘和导电性。)这些因素有助于设计电池，这些电池针对AVs的长期和持续使用进行了优化。
