【金砖锂电论坛】孙丙香:锂离子电池建模及虚拟电池技术

发布日期:2020-11-18

核心提示:由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的2020中国国际锂电技术发展高峰论坛于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛

由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。

北京交通大学电气工程学院新能源研究所 副教授 --孙丙香 在本次中国国际锂电技术发展高峰论坛做了《锂离子电池建模及虚拟电池技术》的主题演讲,现场演讲实录如下:

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各位领导、各位专家、同仁,大家下午好。我是北京交通大学电气工程学院的老师,所从事的研究是锂离子电池应用技术。今天给大家分享的是锂离子电池建模及虚拟电池技术,今天我们有在8号展馆的展位,展出了虚拟电池系统,以及基于虚拟电池系统的测评的产品,大家感兴趣可以到8号展馆现场看一下。

会从这么几个方面介绍,应该说汽车保有量在上午专家说到了,欣旺达梁总给出了更精确的数据,我只是给到2020年6月份的数据是417万辆。随着汽车的增加,相关的测评工作是提出了更高的要求。BMS测评经常会用到实际的电池系统,或者是通过通信的方式去发一些数据信号,但是慢慢地大家会发现,如果我有一套电池系统可以模拟跟实际电池相同的响应状况,同时也可以模拟实际的BMS采集的时间间隔和精度,我的测评才会和实际情况吻合,就引发了这样一个需求,就是希望电池的切换工况要尽量地短,要想从一种工况切换到另外一种工况瞬时切换是最好的。每次测评的时候,这个电池都能够重复同样的工况,这个重复性非常好。还有安全性要好,最好不要有安全隐患。

基于这样几个需求,我们就想到了用虚拟电池,说到虚拟电池,其实行业里面也通常会把虚拟电池叫成:电池模拟器/电子负载,这样的称谓。它能够进行双向的能量流动的电源模块,不光是BMS测评,还有很多的应用场景,比如说有一些高职高专开设相关课程,需要这样一套系统展示,让学生在系统上进行相关的开发、相关的测试。这是用于一些教学。科研,BMS测评是主要的应用,做BMS策略的开发、充电策略的开发、均衡策略相关的工作,其实都可以用虚拟电池系统来开展。

虚拟电池技术应该说有很大的一块是硬件实现,还有另外一块是关于建模,你要建这个模型,能够模拟电池的各种各样动态工况。针对硬件产品,现在国内外有很多了,相信在座的专家你们所在的单位就已经有这样的产品,比如说dSPACE,国内的星云、群菱,当然还有其他家,这只是我熟悉的。还有国外的NGI。这些虚拟电池的产品主要是会给你固定工况,想要多少可以组合。这种工况比较单一,对于使用者来说,如果你想模拟更多的工况,你想进行更多的系统性的开发或者是测评验证,是有一定的难度和门槛的。

这里会强调的指标有:精度,精度是其中一个指标;动态相应,动态相应有一些厂家号称说是很短,就是动态相应性好。但是要考虑BMS采用数据时间间隔多少,太快的响应,而BMS采集时间比较长,这两个是需要匹配的。关于电池建模,在行业里面大家比较熟悉的就是电化学的建模、等效电路的建模,这是大家熟悉的。除此之外,还有一种是黑箱模型,不管中间是经历了什么样的过程,我有输入就可以让它可以有输出的相应,这是黑箱模型,可以通过神经网络训练的形式。等效电路模型可以分为整数阶和分数阶的等效电路模型。

等效电路模型现在也会存在一些问题,比如说时域时间尺度和跨度、大小,会影响到辨识参数的结果。还有频域识别方法对时域响应性没有那么高。频域是小时间尺度,时域是大时间尺度,通常比较直接的对应是时域的会和直流动态的工况对应,而频域会和脉冲交流的工况对应。现有还是会存在一些没有解决的问题。

还有一些参数,比如说热学参数需要用设备去测,通过在线的参数辨识的方法,而不是测试的方法,通过精度高模型参数,对于模型建立也是非常有意义的。另外是温度上的变化,低温的时候,可能有一些建模的方法是适应性没有那么高,大家通常建模都是在温度适宜的范围,极端温度的建模还做得不是特别好。

大家在做的时候,时域和频域的关系,我们做了一些尝试频域的阻抗是0.159赫兹交流的阻抗值,和时域1秒的阻抗值是比较接近的,这是我们做分析的时候得出来的结论。

电池的建模会有单体到整组的,文体上查到大部分是单体建模,或者是简单一致性的分布,再拿出整体的模型。模型的适应性随哪些参数的维度变化,或者是随着健康状态的维度,是不是有考虑,对于这个模型的适用性来说是影响很大的。
单体建模要考虑一个因素,比如说温度、倍率、老化状态、SOC位置,这些参数不同,电池的响应参数是不同的。刚刚列出电化学模型和等销路模型,等效模型是分整数和分数。

这是电化学,通过正/负极匹配的方法建立,仿真误差是比较小的,建立电化学模型的参数精度还是能够有一定的适用性。

这个是对于频域的相应,还有分数阶模型,对应起来就是所学过的控制学的理论,它会有分数阶的控制理论,这个理论在上大学的时候是没有学的,学的微积分都是整数阶的。分数阶会出现0.5阶的倒数,分数阶会有很好的记忆效应,就是某一点的导数会和前面某一个点是有关联性,这样的话,对应模拟一个非常小的时间尺度的动态特性,分数阶就有非常好的优势。

我们有在时域连续脉冲的数据做建模尝试,有建刊的论文,有兴趣可以查阅一下,欢迎大家可以更多的交流。

采用这种分布式的热学热阻模型,分布式的热阻模型,可以模拟电池厚度方向的温度分布,现在在做的就是三维厂的模拟,因为这个只是一维的厚度方向。我们也有做热点耦合的模型,比如说大家通常建模的时候,25度的时候充电,其实在充电的过程当中,温度就变化了,尤其是在温度比较低的时候,充电或者是放电工况过程当中,它自身有温升,这对于它后续的特性是有很大的影响。作为一个热点耦合的模型,会对动态工况的模拟是非常有好处的。

我们也做了简化的频域热电耦合模型,这跟一阶的2C模型多了一个变杆,CP和RP这两个元件是随着频域而变化的,我们就把多个RC环节变成一个RC环节,是一个简化的形式。

还有简化的时域模型,采用粒子群的方法,QP和RP跟倍率有一定的关系,就是满足BV方程的关系。

以上是单体建模做的工作,包膜时域、频域的建模、电化学建模、热电耦合的建模,这些都做了很多的工作,也测试了大量的电池单体,应该说单体这一块的库建立起来了。关于电池组的建模,它会涉及一个问题,单体在模组或者是电池组里,所处的位置是有差异的,每一个单体的参数和参数之间还有一定的关联性。我们现在有在基于整车的数据,做一些离线的体检,就是车在运行过程当中,我有时测的数据发回来,还有离线定期的体检数据拿回来,这样可以把单体电池在模组中使用的区间,以及没有用到的区间用出来,这样再做定点SOC的测试就可以拿到参数的关联性。

有实验室的测试,还有实侧条件的测试,通常我们会发现随着电池衰退维度的变化,有些参数的相关性会增加,有些相关性会减小。我们最初做的时候,是基于单一的分布来做的,我们只用单一的分布来做它的参数一致性分析,会发现实车的数据有时候不是单一的分布,所以我们就采用聚类分型的方式,先用聚类,再做分型,识别出来聚类模式之后,再做关联性的分析。我们采用生成对抗网络的形式,当然这个方法里面会有一些常见的问题,我们也采用相应的措施来去解决这样的问题,通过这个方法可以把参数和参数之间的关联性建立起来。

最后是虚拟电池的应用案例,这是一个流程矿图,有电脑主机,可以把电池模型放到电脑主机里面,可以通过dSPACE下载虚拟电池,再接上电池管理系统,虚拟外围还有计电器的高压部件。上位机同时还可以显示电池监控界面,现在做的测评是可以有BMS和虚拟电池一些基准值间的对比。

这个是我们在8号展馆展台的部分,虚拟电池的仿真平台的实物,大家感兴趣可以到现场看一下。

这个是电池管理系统采集到的值,和虚拟电池自己返回来的值之间的对比。包括设计一些参数,界面没有放这么多,比如说SOC、SOE的参数,直接可以输出对比的结果,后续会拓展很多自动化的测评功能。

虚拟电池总结一下,未来应该是一种定制虚拟化的技术路线,比如说我们这样的研发机构会提供标准化的参数辨识软件,可以告诉用户,你做一个什么样的标准化实验,再把数据收到软件之后,就可以进行参数的自动辨识,想把虚拟化的电池进行定制的虚拟化。要把电池内部的热厂进行模拟,包括故障情况的模拟,因为现在虚拟电池做的还是外特性电压的模拟,关于温度模拟的功能,不管是国内的产品还是国外的产品,都是缺失的,或者是功能比较简单。最后BMS测评,是要针对相对标准化的协议,可以设计自动化的BMS测评的软件,把能够进行自动测评的部分进行自动测评,这个是非常好的功能。

我们楼下的展位还有展出运营的工作,这个也是毕业的博士创业了做的工作。我刚刚说的虚拟电池,也是在北郊新园的公司产业化,而且在高职高专在推广使用。
我们的毕业博士做的是北京公交运营,通过联网可以展示所有的信息,运营平台上也做了一些其他的功能。同时,还做了机场的安全运营管理平台,在首都机场已经运营了。目前深圳机场也有意向做这个事情。这个是大数据平台,关于云平台,所有企业都已经开始在做了。我们学校都有做这个工作。

最后稍微介绍一下我们团队的情况,团队有这样几个挂牌资质:国家能源主动配电网技术研发中心,这是能源局授牌;中国中车研究北京交通大学绿色动力系统技术分院等。这是我们的教师研究生的规模,以及成果、获奖,这是老师和部分同学的合影。

现在做的领域是动力电池在新能源汽车、轨道交通、电力储能的应用,现在在轨道交通车辆上的力度加大。

新能源汽车领域做的主要工作就如表所示,各种参数的估计、测评、基于云平台的广义电池管理技术、安全性测试和评价。

这是我们在轨道交通领域辅助电池的标配替换、柴油机车的混合动力的改造、电力机车的混合动力的改造,就是电网和电池混合供电。

在电力储能领域,我们也有做一些工作,比如说梯次领导的经济型分析等。

这是我们新能源所的5个研究方向就包括其他部分的:新能源发电微网技术、电动汽车分布式电源智能配网技术等等。我们还有一个CNAS实验室,我们的团队长期投入到电池研发的领域。

这是我们在轨道交通领域做的兆瓦级的储能测试平台,包括大数据平台。现在有好多参与做的数据,在平台上也累计了很多的数据。现在也给北汽做运维、评估和预警的工作。

这是新能源发电的平台。
智能配电网的平台。

这是我们的部分自然基金项目,和今天的主题比较相关的是最后一个多因素耦合的虚拟电池五用里电子电池组分数阶时频域建模研究,是我去年中的一个自然基金,也是跟今天主题相关的项目。

这个是我们的重点研发计划项目,倒数第二个:动力电池管理系统精准评价技术是王芳博士牵头的课题3,现在由我负责。这个课题包含了BMS测评的工作。去年在撰写《新能源汽车发展路线图2.0》时,我本人有幸作为BMS测评技术路线图的撰写人,前两天在上海已经发布了。

这是我们参与的一些标准,其中第一个是国际标准,是轨道交通领域的国际标准;最后一个是电动汽车用动力蓄电池管理系统技术条件,这个是我们做的897标准的升级版本,今年3月份发布,10月1日开始实施。应该说虚拟电池的开发,因为这个标准是我们做的,也是按照这个标准开发BMS测评的一套流程。
也跟公司都有很好的合作,包括欣旺达股份有限公司。
我的报告就这么多,谢谢大家。



 
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