鉅大LARGE | 點擊量：1371次 | 2019年01月22日
材料化學體系是電池安全系統保障的基礎
1月11日-1月13日，以“汽車革命與交通、能源、城市協同發展”為主題的中國電動汽車百人會論壇（2019）在北京釣魚臺國賓館舉行。本次論壇以“汽車革命與交通、能源、城市協同發展”為主題，圍繞汽車零排放和電動化變革、能源轉化及傳統能源公司轉型、未來交通和出行變革圖景、下一代汽車關鍵技術發展、汽車智能化和網聯化趨勢、核心供應鏈培育、汽車生產組織方式變革、國際創新對接、產業政策調整等熱點問題進行研討。
在1月13日下午進行的《主題峰會8：動力電池技術峰會》上，上海交通大學特聘教授馬紫峰發表了主題演講。
以下是演講實錄：
感謝歐陽明高院士的邀請，有機會給大家匯報一下我們在動力電池狀態預測和安全評估方面的一些工作。前面很多專家已經講到了怎么樣做一個好的電池，像艾新平老師提出了很多材料的處理，以及電池制造過程當中注意的事項。實際來講，當一顆電池做好了以后，它的狀態到底是什么樣的？直接跟我們電池的安全性是密切相關。我的報告大概分為這么幾個方面：第一，按照技術策略；第二，鋰電池模型構建；第三，狀態模型構建。第四，模型的應用和評估。
鋰離子電池今天為止已經發展了有四代產品，從手機用的鈷酸鋰到錳酸鋰、到磷酸鐵鋰，還有現在的三元等等這些材料，還有很多的人在追求的更高的一些夢想，向300瓦時以上進軍，更高的甚至到了500瓦時。所以從材料體系來講，現在的研究是五花八門，新概念層出不窮，但是為什么會有這樣一個目標呢？其實很重要的一點就是續航里程的焦慮，每個人都希望續航里程更高、能量密度可以不斷的提升。但是大家都知道，經過了這么多年的研發，發展了那么多新的正極材料，真正目前能夠得到工業化應用的寥寥無幾，也就是剛才提到的鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而這里面很重要的一點，實際上電池的安全性首先是取決于它本真材料的安全性。有一個很好的方面去研究，就是像熱分析以及這個系統，研究表明可以發現，在這個當中磷酸鐵鋰的熱穩定性從材料來講身體安全是最好的。
所以我們可以發現，電池的能量密度越高，實際上產生的過熱或者熱失控的形式就越大。所以要增加電池的安全性，對于這些高能量的電池就可能需要在系統設計當中加入了特定的保護裝置，比如說冷卻系統，還有防爆系統等等，以減少電池的安全性。所以電池的安全性和長循環壽命是整個電池設計當中非常重要的一個問題。怎么樣用好一個電池？實際上來講，借鑒我們化工能的一個管理模式是什么呢？大家都知道，化工是一個非常有用的行業，但是化工今天在全國各地都得到了很多不待見，很多地方都不歡迎化工，是因為覺得化工在這方面有安全問題、甚至是毒性的問題。但事實上來講大家看到，我們石油化工行業有大量的反應器，高壓的、高溫的，他們怎么樣能夠保證他的安全呢？實際上很好的一個方法，就是系統控制的方面。在系統控制論產生的過程中，化工系統工程實際上起到了非常重要的作用。我們能不能引入化工系統工程的原理來控制我們的電池以及電池的系統呢？這里面我們先來分析一下動力電池安全產生的一些因素和不安全的因素。電池里面實際上來講，影響的因素非常多，所以一個系統的管理，除了它的充電、放電的控制以外，還跟它的熱管理以及安全的管理，都有關系。在這些當中，實際上有一個狀態的估計非常重要，狀態的估計包括了核電狀態，就是一個電池我們經常可以看到的，還有多少電。另外一個，他的健康狀態，還有功率的狀態。在這里面我們可以看這樣一個卡通圖，在這個卡通圖里我們看到，每個人的手機都有這樣一個東西，當這個電池用一段時間以后一格電沒了，用到這個時候紅色顯示你該充電了。到底怎么監測這個電池的狀態呢？實際這個狀態是要依據我們的化工的一些系統工程方法來做的，我們看到左上角的這條放電曲線，就像我們化學反應工程當中反應器里面濃度的變化、壓力的變化、溫度的變化，而這些變化過程當中，是需要用一定的數學模型，去把它精確的描述出來。
這個跟什么有關呢？跟電池的材料化學體系，所以這個電池的模型建立當中，對于磷酸鐵鋰、對鈷酸鋰、對錳酸鋰都有不同的曲線特征。大家都知道，磷酸鐵鋰的放電曲線是非常平的一條曲線，而對于錳酸鋰來講有兩個放電平臺，這兩個放電平臺怎么樣去確定它的SOC狀態？SOC實際上就是我們曲線，在4.0V的時候SOC我們假定是100%，而到了后面2.5V，放電截止，它是真正的沒有了。事實上我們在做電池管理系統的時候、做模型的時候，可不可以把這個SOC截到5%甚至1%呢。事實來講，在汽車當中，我們裝的電池比如裝的是50度電，但是你能不能用到49度，我想誰都不敢用到。所以我們電池管理的時候一定會有一個余量。這個余量怎么去判斷？就是需要有一個精確的狀態估計，而這個估計除了材料化學體系，還有一個就是內阻。而大家知道內阻跟什么有關？跟我材料的體系以及溫度是有關系的，另外還有我們界面的效應，還有電芯的管理系統。
所以這個過程當中我們能測到什么？真正一個電芯測到的只有一個開路電壓、還有溫度，其他的我們是看不到的，所以我們首先就要去確定一個開路電壓，然后去確定開路電壓與這個荷電狀態的管理，這是基于SOC模型當中重要的理論基礎。所以可以說OCV和SOC模型的精確度，是我們操控電池健康狀態的一個關鍵。
做這個模型之前我們首先就要對鋰電池單體的模型進行一個構建，所以鋰電池的模型涉及到了方方面面，所以我經常講，鋰離子電池的充電和放電過程，實際上是一個化學反應過程，而這個化學反應過程是一個多項的，它有電化學反應，也涉及到電機動力學，也涉及到我們的傳制過程，也涉及我們的電荷轉移，還有傳熱，所以它是一個非常復雜的系統。
大家知道，在我們國家基金委的主任李院士，他提出了多尺度復雜系統，所以我們能不能把多尺度復雜系統的理論運用到電池管理當中呢？我們首先就要對電池的影響因素考察。我們模型外部表現剛才講開路電壓、電流，電流是我們充電、放電的電流值，然后還有溫度，這三個外部參數怎么樣與我們的SOC和內阻能夠關聯起來。
從一個電芯的阻抗我們可以看到，這是我們測了一個20安時的軟包電池它的SOC和它的阻抗的關系，我們可以發現，其實SOC和阻抗它是一個變量，我們知道，做模型的時候用的很多的時候叫安時積分法，基于歐姆定律，R等于V2R，我們發現V和R之間都是時間的變量，這樣就產生一個問題，怎么樣能夠去收斂它。另外一個測量，我們同樣一個電芯，在不同的溫度下，在同樣的荷電狀態下，它的阻抗明顯的不同。所以說，當我們一個車上的電池在工作狀態的時候，它的SOC是不斷變的，所以說會出現一些問題，我們的BMS對SOC測不準，因為它在過程當中已經發生變化了。
之于這樣來講，建立電池模型就需要有不同的一些方法，這里面有三種模型：
第一種，電化學的機理模型。電化學的機理模型是基于我們的電機反應動力學、我們阻抗的變化，這樣的一個工作實際上來講，我們要給予大量的實驗測量和模擬。所以在這個過程當中，它的精度非常高，但是它的數學模型會變得非常復雜，而復雜的結果是什么呢？會造成我們這個計算方法計算工作量的增加。
第二種，黑箱模型。我們可以假設它，我這個內阻是在一定的狀態下是一個恒定值，這個計算就比較簡單了，它參數很簡單，計算時間短。
第三種，基于我們的等效電路模型。等效電路的模型有一個非常明確的這種物理定義，也很直觀，而且我們可以通過簡單的交流阻抗去測量。當然這個阻抗不是基于我們材料試驗的阻抗，而是要基于我們電芯的阻抗。所以我們就有必要去建立一套系統，我們上海電化學能源工程中心，專門構建了一條功率放大系統，加上阻抗測量，這樣就可以去測量這種，比如說5安時、10安時、100安時單體電芯的阻抗。
這里我們主要介紹我們最近做的一些工作：
第一個工作，我們構建了一個開路電壓的模型。因為開路電壓是一個關鍵，開路電壓實際上跟我們檢測到的是息息相關的，所以我們在建立的時候，首先是比較了一些多項式的、指數型的、對數型的等各種模型進行了比較，比較以后我們去構建了一階非線性的程序模型，而這種模型可以去滿足這種單調性的約束，就是收斂性。所以這樣一種模型來講，我們去研究了一中全局優化的方法，去進行了優化和計算。
這是我們通過建立的模型對美國宇航局的AMes一些數據庫的電芯進行模擬的結果。從不同的溫度影響以及不同的計算時間我們可以看到，它的CPU計算處理時間，我們這個模型可以少于180秒，比傳統的充放電時間少，所以就很容易的去捕捉到這個充電和放電過程中它的狀態，如果你的計算時間非常長的話，就是說你放電的時候，你的電已經過去了，你沒有辦法及時的捕捉到。所以在這個方程的構建當中，就需要去匹配它，這個表格我們比較了三種不同的模型它的計算時間以及在不同溫度下它的多項式的指數。
在SOC的基礎上我們去構建離線模型，不是在線狀態的，關鍵是怎么樣去均衡模型的精度和復雜度。因為我們的模型，我剛才講，如果我的等效電路模型非常復雜，我要很精準的把溫度的效應以及它的荷電狀態都檢測出來，這些過程建模型是借鑒了我們化工系統工程當中，比如說有很多的我們的設計或者實驗和數學模型的模擬和回歸的方法。這些數學模型會建的非常復雜，但是它精度很好，也能算的很好。但實際上來講，可能在應用當中并不實用，但是這種模型可以運用到某一些，比如說CPU內存很高的系統當中，比如說像現在華為，它運用的一些里面來講，它的芯片計算速度非常高，它就可以來運用我們這樣一種模型來計算。
所以我們的這些工作模型后來都是在我們化工領域當中非常認可的，像美國化工學報、化工科學方面，他們先后對我們這個工作進行了深入的報道。我們提出了兩種計算方法，兩個模型，一個是雙目標多項式模型，另外一個是單目標的，用的就是顯式的方法、隱式的方法還有這樣一個準則三種模型進行的計算。（PPT）這個是計算的其中一種方法顯示法，得到多項式模型計算和預測動態的性能。這個是隱式法得到的一個結論。
在離線模型基礎上，我們又開始發展一種在線的模型，我們發展基于滾動的模型，跟比亞迪合作，在它的儲能電池系統當中進行了驗證，這個在線模型最重要的就是提高它的收斂速度和魯棒性和估算的精度，所以這個工作我們可以看到，在不同的DST工況下得到的結果，這個是我們得到的一個非常具有強魯棒性和顯示處理約束的一個滾動的故障法的基礎模型。
這個模型我們可以在極端的初始調整，比如SOC等于0的狀態下或者SOC等于1的狀態下，進行全工況的在線模擬。可以看到，我們得到的這種滾動的方法可以快速的收斂到正確的值，具有很強的魯棒性。這里就是給出的兩個SOC接近于1、SOC接近于0的兩種階段狀態下模擬的一個過程。
這個里面我們可以發現，在估計如果偏大的時候，它的結果也是不一樣的。
這個是估算，如果極值偏小接近于0的時候它的結果。在SOC的估算下面我們進一步發展電池的健康狀態，因為電池的健康狀態直接會影響到我們在車載BMS控制當中去估算說我這個電池大概還可以用多久，我們提出多尺度的高斯模型，用來進行追蹤它的健康狀態。這個健康狀態的模型建立了以后，當時我們送給了美國化學工程學報，當時他們就提出，你這個模型有沒有經過驗證，最好是能夠選擇一些第三方的數據，他們就推薦我們用了美國宇航局一個電池數據庫的三款電池，編號分別是5、6、7編號的18650電池，對它的SOH進行了估算，這個估算以后我們的精度是達到了3%以內，它就接受了我們的工作。
最近來講，我們在SOC、SOH的估算基礎上進一步去發展了一種熱電耦合模型，因為實際上大家知道，在真正的應用當中它是熱也有產生，大家都有體會，當你在打電話的時候，如果打的時間比較長手機就會發熱，如果你在充電充的非常快的時候也會發熱，所以熱的模型實際上非常重要。
我們同樣取了20安時的軟包作為模型進行驗證和試驗，我們進一步對它進行了測量，最近我們在熱模型上面建立了一個基于等效電路的耦合模型也已經完成。
我們課題組本身來講，實際上從前期做磷酸鐵鋰的材料，到后來的電芯，到后來的做BMS，這也是為什么上個星期我們可以得到了國家的一個科技進步獎。重要的一個貢獻，實際上就是我們從系統材料開始，到比亞迪的合作，同時，我們現在的模型已經不僅僅是在比亞迪合作，先后從今年開始與華為、南方電網、上海國際汽車城等等這些企業進行了戰略的合作，主要是利用我們這樣一些精確的模型，同時針對他們不同的應用場景，去做不同的模型以及不同模型的修正。
我們認為，實際上如果要想精準的控制和預測的話，對不同電池的材料體系，不同電池的結構，比如圓柱的、軟包的、鋼殼的、電芯單體容量不同的大小，都會有不同的充放電特征曲線，這樣它的模型也需要進行修正，這也是為什么我們可以有這么多不同的戰略合作，因為可以滿足它特定的需求。
最后我想，我們通過這幾年的努力，先后建立了一些像開路電壓、健康狀態、SOC的這些估算模型，對這個模型函數的選擇以及它的形式、參數估計的方法、計算，提出了自己特定的一些手段，同時我們也認為，電池安全系統保障的基礎就像艾新平老師講的，材料化學體系是本身安全的一個基礎。電池的保護裝置，比如說限壓過充保護、BMS優化控制方案，是一個有效的階段。
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