同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院

BMS信息升維面向電池壽命和安全管理的電化學(xué)阻抗技術(shù)進(jìn)展1王學(xué)遠(yuǎn)湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究目錄1

背景2基于多諧波信號的寬頻EIS快速計(jì)算方法3集中激勵(lì)-分布測量式串聯(lián)電池EIS測量系統(tǒng)4面向壽命和安全無損評估的EIS應(yīng)用方法5總結(jié)與展望2湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究1研究背景l(fā)

國務(wù)院《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》：加強(qiáng)高安全和長壽命動力電池系統(tǒng)短板技術(shù)攻關(guān)l

現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)(BMS)在面向壽命和安全評估管理上仍存在不足！第一代

BMS

第二代BMS

第三代BMS面向壽命和安全評估管理“健康長壽”面向電量、功率、能量估計(jì)管理“解決溫飽”過去現(xiàn)在未來白箱純內(nèi)特性灰箱依據(jù)外特性推斷內(nèi)特性湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目面向電壓、電流、溫度閾值管理“維持生存”黑箱純外特性天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究管理方法迭代功能需求迭代3深度傳感

神經(jīng)系統(tǒng)需要記憶電池歷史信息并實(shí)現(xiàn)管理存儲計(jì)算信號傳輸CAN總線

通過直接測量電池內(nèi)部參數(shù)感知電池實(shí)際狀態(tài)是電池神經(jīng)構(gòu)建的起點(diǎn)1D2D3D菊花鏈無線通信端

云

實(shí)現(xiàn)信號的高頻高精度的有效傳輸是構(gòu)建神經(jīng)系統(tǒng)的必要前提光纖壓力溫度氣體壓力、組分湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目l正在構(gòu)建電池神經(jīng)系統(tǒng)儲能電池天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院1研究背景動力電池究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究電壓、電流、

EIS智能電池41研究背景l(fā)

電化學(xué)阻抗是電池內(nèi)部電極過程特性的重要表征量頻域方法線性電化學(xué)阻抗非線性電化學(xué)阻抗……系統(tǒng)辨識問題壽

安命

全衰

惡減

化+正極

隔膜

負(fù)極Li+固相顆粒固相顆粒電解液

湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目時(shí)域方法電壓、電流、溫度、壓力隨時(shí)間變化規(guī)律……天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究51研究背景動力電池系統(tǒng)儲能電池系統(tǒng)應(yīng)用條件下電化學(xué)阻抗如何用如何測湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目充分的工具鏈和儀器設(shè)備支持l

電化學(xué)阻抗在電池系統(tǒng)中應(yīng)用面臨諸多問題實(shí)驗(yàn)室條件下電化學(xué)阻抗如何算天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究62基于多諧波信號的寬頻EIS快速計(jì)算方法問

題需

求

創(chuàng)

新

思

路多諧波信號設(shè)計(jì)問題

多諧波信號提取問題單頻率信號：正弦

多諧波信號：

階躍、隨機(jī)序列等?

諧波成分單一?

信號處理容易?測量耗時(shí)長，0.01~10kHz時(shí)間＞9分?

激勵(lì)發(fā)生要求高時(shí)頻自適應(yīng)算法：l

小波變換l

S變換?

諧波成分豐富?

有用信號提取難?

測量耗時(shí)短?

激勵(lì)發(fā)生要求低湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目非周期和周期信號：l

階躍信號l

偽隨機(jī)信號天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究72基于多諧波信號的寬頻EIS快速計(jì)算方法l

提出了基于階躍信號激勵(lì)的EIS計(jì)算方法l

縮短了EIS測試時(shí)間（比正弦掃頻縮短19%）階躍信號窗函數(shù),w(n)FFT電流,i(n)FFT×IFT×FFTIFTU(a,b)I(a,b)電壓,

u(t)電壓,

u(n)Z(a,b)u,(t)電流,i(t)窗函數(shù),

g(t)i,(t)××FI,(f,

τ)FU,(f,

τ)÷信號形式測量時(shí)間（0.01Hz~1kHz）正弦信號495s階躍信號400s（

19%）湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目電池電壓和電流測量i激勵(lì)信號發(fā)生小波變換u阻抗計(jì)算S變換XWang,

XWei,Q

Chen,etal.JournalofEnergyStorage,2019,26(12):

1-12.XWangetal.IEEE

Transactionson

Transportation

Electrification,2022,8(3):

3659-3672.天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究8Z(f,τ)電壓,

u(n)2基于多諧波信號的寬頻EIS快速計(jì)算方法FU(f)FI(f)FFTFFTZ(f)=FU(f)/FI(f)a與RMSE

-●fs與RMSET與fL0.0

0.51.01.5

2.0

2.53.0Amplitude/A信號形式測量時(shí)間（0.01Hz~1kHz）正弦信號495s階躍信號400s（

19%）PRBS信號131s（

73.5%）湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目l

提出了基于PRBS信號激勵(lì)的EIS計(jì)算方法l

進(jìn)一步縮短了EIS測試時(shí)間（比正弦掃頻縮短73.5%）窗函數(shù),w(n)1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Δ與fHRMSE/mΩ電流,i(n)幅值a：邏輯狀態(tài)0對應(yīng)a，邏輯狀態(tài)1對應(yīng)-a移位脈沖周期Δ：每一級邏輯狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間階次n：移位寄存器的級數(shù)循環(huán)周期N：一個(gè)周期內(nèi)的序列長度

N=2n

-

1周期T：T=NΔCaiJ,

Wang

X*,etal.JournalofEnergyStorage,

2023,

59:

106428.天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究PRBS93集中激勵(lì)-分布測量式串聯(lián)電池EIS測量系統(tǒng)問

題

需

求創(chuàng)

新

思

路?激勵(lì)測量集成度高?

電路單元數(shù)量多?

通信鏈路節(jié)點(diǎn)多?

現(xiàn)有架構(gòu)難兼容?

低阻電池適用窄?

電路單元集中化?

通信和架構(gòu)兼容易?

電池規(guī)格適用寬?

高功率激勵(lì)設(shè)計(jì)難?

分布測量同步難高精度分布測量問題兼容現(xiàn)有BMS硬件：l

模擬前端AFE湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目分布激勵(lì)-分布測量

集中激勵(lì)-分布測量兼容現(xiàn)有功率部件：l

（車載）充電機(jī)

l

DC-DC變換器高功率激勵(lì)設(shè)計(jì)問題天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究103集中激勵(lì)-分布測量式串聯(lián)電池EIS測量系統(tǒng)雙向OBC電池1電池2OBC電池nLECU阻抗計(jì)算方法主從時(shí)鐘同步方法CANCECUEIS測量系統(tǒng)湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目l

發(fā)明了基于OBC激勵(lì)-AFE測量的EIS測量系統(tǒng)l

實(shí)現(xiàn)了2A激勵(lì)下阻抗RMSE:

|Z|＜4%@0.1~500Hz

，φ<6.9%@0.2~200Hz天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院Wang

X,etal.IEEE

Transactionson

Industrial

Electronics,2020,

68(8):

7380-7390,究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究11阻抗模阻抗角湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目l

開發(fā)了基于量產(chǎn)AFE（LTC6804）的EIS測量系統(tǒng)l

實(shí)現(xiàn)了2A激勵(lì)且電壓、電流采樣頻率200Hz時(shí)10Hz阻抗測量，模和相角相對誤差≤3%3集中激勵(lì)-分布測量式串聯(lián)電池EIS測量系統(tǒng)天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究12湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目3集中激勵(lì)-分布測量式串聯(lián)電池EIS測量系統(tǒng)l

合作開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的多形態(tài)的EIS測量系統(tǒng)，滿足不同場景需求l

合作開發(fā)了EIS測量系統(tǒng)控制和分析軟件，支持ECM批量擬合、

DRT分析等功能l

支持1mA-30A恒電流模式下10kHz-0.01Hz范圍內(nèi)EIS測試，模誤差≤1%，相位誤差≤1°l

首創(chuàng)的監(jiān)聽模式可實(shí)現(xiàn)搭配任意充放電設(shè)備的動態(tài)EIS測量模組EIS測量系統(tǒng)單通道EIS測量系統(tǒng)獨(dú)立多通道EIS測量系統(tǒng)天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究13EIS數(shù)據(jù)維度高-Z,,

?

不同頻率阻抗?

阻抗實(shí)部、虛部?

阻抗模、相角

Z,模型和數(shù)據(jù)融合驅(qū)動：l

機(jī)器學(xué)習(xí)方法l

半機(jī)理半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪勖桶踩卣髁拷栴}

多因素影響消除問題?

溫度影響?

SOC影響

?

SOH影響Z,

?

故障影響湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目4面向壽命和安全無損評估的EIS應(yīng)用方法壽命評估：l

時(shí)間常數(shù)l

等效電阻安全評估l

阻抗相角（溫度）l

阻抗實(shí)部（析鋰）-Z,,EIS影響因素多天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院需

求

創(chuàng)

新

思

路究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究問題14l

實(shí)現(xiàn)了不同循環(huán)工況下均方誤差≤1.25%

，最大誤差≤2.7%湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目4面向壽命和安全無損評估的EIS應(yīng)用方法（1）基于EIS特征的SOH估計(jì)方法l

提出了基于EIS關(guān)鍵特征的SOH估計(jì)方法天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院Jiang

B究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究Wang

X*,etal.

AppliedEnergy,2022,322:

11950215衰退數(shù)據(jù)電化學(xué)阻抗循環(huán)圈數(shù)增加實(shí)現(xiàn)不同SOC下自適應(yīng)SOH估計(jì)用于SOH估計(jì)的同質(zhì)集成學(xué)習(xí)模型

LSBoost回歸樹集成估計(jì)精度優(yōu)勢顯著

不同SOC下實(shí)現(xiàn)了SOH的準(zhǔn)確估計(jì)基于DRT對電化學(xué)阻抗進(jìn)行時(shí)間尺度辨識衰退特征提取R3不同衰退特征組合對比湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目4面向壽命和安全無損評估的EIS應(yīng)用方法Y

Zhu,BJiang,J

Zhu,

X

Wang*et

al.

Energy,2023,284:129283.l

提出了基于DRT關(guān)鍵特征的不同SOC下SOH估計(jì)方法l

實(shí)現(xiàn)了不同循環(huán)工況在所有SOC下平均絕對誤差≤1.87%

，均方誤差≤2.08%（2）基于DRT特征的SOH估計(jì)方法R2τC2τC3τC2Y天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究16Fan

W,

Wang

X*,etal.eTransportation,2024,revision4面向壽命和安全無損評估的EIS應(yīng)用方法（3）基于EIS估計(jì)SOH的遷移學(xué)習(xí)算法l

提出了利用基于雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)的容量估計(jì)方法，容量檢測時(shí)間縮短至1.67分鐘l

提出了基于特征匹配的遷移學(xué)習(xí)方法，在基礎(chǔ)模型上引入少量數(shù)據(jù)樣本實(shí)現(xiàn)90%以上精度提升基于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)模型，引入少量新樣本遷移訓(xùn)?

退役NCM電池，

MAPE：

2.33%，

RMSPE：

2.75%?

退役LFP電池，

MAPE：4.12%，

RMSPE：

5.04%湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究174面向壽命和安全無損評估的EIS應(yīng)用方法特征阻抗角快速計(jì)算特征阻抗角快速計(jì)算(

θ

?205

)2?

|

15

(36.3100

,(θ

+1.8840

)2?

|

(

24.6900

,

+23.4700eT

=3.1390×10

e湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院

天目（4）基于特征阻抗角的平均溫度估計(jì)方法l

實(shí)現(xiàn)了LFP電池在脈沖工況和NEDC工況下溫度估計(jì)誤差≤0.6℃WangX,etal.Journalof

EnergyStorage,2019,26(12):

1-12.天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院脈

沖

工況循

環(huán)

工況究院

天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究184面向壽命和安全無損評估的EIS應(yīng)用方法（5）基于轉(zhuǎn)移阻抗的恒電流充電析鋰診斷方法l

揭示了析鋰發(fā)生時(shí)電池傳荷相應(yīng)的（1Hz-100Hz）阻抗有減小的規(guī)律l

發(fā)明了基于阻抗演變異常識別的恒電