薄膜壓力感測技術(shù)在電池狀態(tài)估計與預(yù)警中的應(yīng)用姜久春教授1二二70607060504030200202420212020202020192018202220232025202220232025 l提升清潔能源存儲能力 l l推進大規(guī)模儲能技術(shù)研發(fā)l推進高效儲能等新興技術(shù)l實施電化學(xué)儲能示范“十二五”規(guī)劃2021——2025“十一五”規(guī)劃l發(fā)展儲能等先進技術(shù)2021——2025“十一五”規(guī)劃ll建立和完善新能源創(chuàng)新體系2011——20152011——20152006——20102006——20103熱失控征兆仍沒有確定性的結(jié)論；2112849交叉映射關(guān)系復(fù)雜交叉映射關(guān)系復(fù)雜4儲能站模組監(jiān)測手段不足儲能站模組監(jiān)測手段不足傳感信號匱乏55猝死型熱失控預(yù)警是最大挑戰(zhàn)，亟需增加傳感監(jiān)測參數(shù)猝死型熱失控預(yù)警是最大挑戰(zhàn)，亟需增加傳感監(jiān)測參數(shù)狀態(tài)估計以及管理，新能源車已經(jīng)證明，這套系統(tǒng)對于猝死電池?zé)o法做出預(yù)警狀態(tài)估計以及管理，新能源車已經(jīng)證明，這套系統(tǒng)對于猝死電池?zé)o法做出預(yù)警voltagecurrentTemperatureTemperature無法識別猝死電池故障單體傳統(tǒng)BMS信號有限，無法預(yù)警猝死電池，充分傳統(tǒng)BMS信號有限，無法預(yù)警猝死電池，充分7二二8基于壓力的電池管理方法是電池應(yīng)用領(lǐng)域的8.壓力-識別電池“猝死”未析鋰析鋰Onboardearlydetectionandmitigationoflith從第一性原理角度，壓力反映電池結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)反映電池狀態(tài)結(jié)構(gòu)變化柔性觸覺（薄膜力學(xué)）傳感器是國家關(guān)鍵卡cc亟需突破柔性薄膜壓力傳感技術(shù)，奪回關(guān)鍵亟需突破柔性薄膜壓力傳感技術(shù)，奪回關(guān)鍵技術(shù)自主權(quán)10靈敏度高、線性度好、蠕變小柔軟，可以與皮膚共型變化傳統(tǒng)柔性傳感器電容值較大，抗干擾性能強靈敏度高、線性度好、蠕變小柔軟，可以與皮膚共型變化傳統(tǒng)柔性傳感器電容值較大，抗干擾性能強離電式電容傳感薄膜性能好，可靠性高，指標(biāo)優(yōu)勢強11寬溫區(qū)：適應(yīng)電池及環(huán)境溫度變化寬溫區(qū)：適應(yīng)電池及環(huán)境溫度變化傳感器性能指標(biāo)數(shù)值壓力范圍0-2Mpa壓力點數(shù)32（4*8）精度重復(fù)度非線性度工作溫度-20℃-100℃Time(h)Time(h)Time(h)歸一化壓力歸一化壓力壓力特征可用于優(yōu)化電池SOX估計與預(yù)測13二二故障管理充電管理通信接口故障管理充電管理通信接口均衡控制BMS從控單元BMS從控單元力學(xué)傳感單元狀態(tài)估計狀態(tài)估計系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理實時通訊實時通訊RICS-V版圖片上溫度傳感器版圖Sigma-DeltaADC版圖lSigma-DeltaADCRICS-V版圖片上溫度傳感器版圖Sigma-DeltaADC版圖lSigma-DeltaADC實現(xiàn)電壓測量精度:±2mVl片上溫度傳感器實現(xiàn)監(jiān)測精度:±2.5KlRISC-V與SARADC實現(xiàn)應(yīng)力檢測精度：1Mp ●高性能RISC-V微處理器核●內(nèi)部和外部均衡●Sigma-Delta高精度ADC●高速菊花鏈通信接口BATBAT100x單電芯管理前端AFE參數(shù)@VDD=3.3VTemp=25℃)電池電壓范圍1.9to5.5V1.4to5.0V2.0to5.0V電壓測量精度±0.6mV溫度測量精度±2.5℃±2.5℃外部溫度傳感×應(yīng)力檢測精度××外部均衡√×√內(nèi)部均衡電流200mA200mA×護照功能PUF防偽標(biāo)簽××√護照存儲空間×持加密存儲××√通訊方式差分菊花鏈通信無線通信差分菊花鏈通信工作范圍-40°Cto+105°C-40°Cto+105°C-40°Cto+105°CRISC-V內(nèi)核驗證芯片SARADC與DAC驗證芯片Sigma-DeltaADC驗證芯片菊花鏈模塊FPGA驗證++微觀參數(shù)多元傳感信號材料物性參數(shù)標(biāo)定…電極結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定面容量孔隙率迂曲度電信號溫度分布應(yīng)力分布阻抗信號阻抗信號電池產(chǎn)氣超聲信號結(jié)合電池膨脹力信息搭建基于力-電信號的高精度電池狀態(tài)估計模型ΔRΔRVoltage(V)Temperature(℃)Voltage(V)Temperature(℃) 析鋰導(dǎo)致過渡頻率阻抗變化析鋰導(dǎo)致膨脹力變化ΔF(N)析鋰導(dǎo)致過渡頻率阻抗變化析鋰導(dǎo)致膨脹力變化ΔF(N)不同SOC下的靜態(tài)EIS不同SOC下的過渡頻率阻抗充電過程中的過渡頻率阻抗4CCapacity(mAh) 膨脹力監(jiān)測實驗臺架充電過程中的膨脹力膨脹力差分曲線電流中斷法實時獲取電流中斷法實時獲取過渡頻率阻抗基于過渡頻率阻抗的異常變化檢測析鋰不同充電倍率下的力學(xué)信號單位容量下的電池膨脹力變化(dF/dQ)plating>(dF/dQ)intercalation電解液降解機械損傷熱失控內(nèi)短路電極材料退化電池漏液電解液降解機械損傷熱失控內(nèi)短路電極材料退化電池漏液基于模型的方法基于數(shù)據(jù)的方法基于知識的方法模型參數(shù)模型參數(shù)熱失控分級熱失控特征中低頻故障特征熱失控預(yù)警模型參數(shù)模型參數(shù)熱失控分級熱失控特征中低頻故障特征熱失控預(yù)警0%-100%SOC2.8-4.25V100%-120%SOC4.25-4.65V120%-130%SOC4.65-4.75V130%-140%SOC4.75-5.3V>140%SOC<5.3VSecurityLevelⅠLevelⅡLevelⅢ中高頻故障特征數(shù)據(jù)采集圓弧-中高頻圓弧-中低頻圓弧-中高頻數(shù)據(jù)提取基于多元傳感信號的故障預(yù)警模型可有效識別多種故障，保障異常老化異常老化電芯析鋰異常老化異常老化電芯析鋰析鋰電芯SOC(%)內(nèi)短路內(nèi)短路電芯二二三三儲能電池電熱力阻建模方法鋰電池傳感芯片-新型BMS管理-云邊協(xié)同預(yù)\r\r示范工程：南方電網(wǎng)深圳供電局工商業(yè)儲能示范依托項目：國家重點課題研發(fā)計劃“儲能電池高精度先進測試表征和失效分析技術(shù)”試點工程為200kwh儲能示范項目采用280Ah儲能電芯，每個pack為16個電芯，一共12組電通