1月11日-1月13日，以“汽車(chē)革命與交通、能源、城市協(xié)同發(fā)展”為主題的中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)論壇（2019）在北京釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館舉行。本次論壇以“汽車(chē)革命與交通、能源、城市協(xié)同發(fā)展”為主題，圍繞汽車(chē)零排放和電動(dòng)化變革、能源轉(zhuǎn)化及傳統(tǒng)能源公司轉(zhuǎn)型、未來(lái)交通和出行變革圖景、下一代汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展、汽車(chē)智能化和網(wǎng)聯(lián)化趨勢(shì)、核心供應(yīng)鏈培育、汽車(chē)生產(chǎn)組織方式變革、國(guó)際創(chuàng)新對(duì)接、產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整等熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研討。

在1月13日下午進(jìn)行的《主題峰會(huì)8：動(dòng)力電池技術(shù)峰會(huì)》上，上海交通大學(xué)特聘教授馬紫峰發(fā)表了主題演講。

以下是演講實(shí)錄：

感謝歐陽(yáng)明高院士的邀請(qǐng)，有機(jī)會(huì)給大家匯報(bào)一下我們?cè)趧?dòng)力電池狀態(tài)預(yù)測(cè)和安全評(píng)估方面的一些工作。前面很多專家已經(jīng)講到了怎么樣做一個(gè)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(guò)程當(dāng)中注意的事項(xiàng)。實(shí)際來(lái)講，當(dāng)一顆電池做好了以后，它的狀態(tài)到底是什么樣的？直接跟我們電池的安全性是密切相關(guān)。我的報(bào)告大概分為這么幾個(gè)方面：第一，按照技術(shù)策略；第二，鋰電池模型構(gòu)建；第三，狀態(tài)模型構(gòu)建。第四，模型的應(yīng)用和評(píng)估。

鋰離子電池今天為止已經(jīng)發(fā)展了有四代產(chǎn)品，從手機(jī)用的鈷酸鋰到錳酸鋰、到磷酸鐵鋰，還有現(xiàn)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(mèng)想，向300瓦時(shí)以上進(jìn)軍，更高的甚至到了500瓦時(shí)。所以從材料體系來(lái)講，現(xiàn)在的研究是五花八門(mén)，新概念層出不窮，但是為什么會(huì)有這樣一個(gè)目標(biāo)呢？其實(shí)很重要的一點(diǎn)就是續(xù)航里程的焦慮，每個(gè)人都希望續(xù)航里程更高、能量密度可以不斷的提升。但是大家都知道，經(jīng)過(guò)了這么多年的研發(fā)，發(fā)展了那么多新的正極材料，真正目前能夠得到工業(yè)化應(yīng)用的寥寥無(wú)幾，也就是剛才提到的鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等等。

而這里面很重要的一點(diǎn)，實(shí)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(gè)很好的方面去研究，就是像熱分析以及這個(gè)系統(tǒng)，研究表明可以發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)當(dāng)中磷酸鐵鋰的熱穩(wěn)定性從材料來(lái)講身體安全是最好的。

所以我們可以發(fā)現(xiàn)，電池的能量密度越高，實(shí)際上產(chǎn)生的過(guò)熱或者熱失控的形式就越大。所以要增加電池的安全性，對(duì)于這些高能量的電池就可能需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中加入了特定的保護(hù)裝置，比如說(shuō)冷卻系統(tǒng)，還有防爆系統(tǒng)等等，以減少電池的安全性。所以電池的安全性和長(zhǎng)循環(huán)壽命是整個(gè)電池設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的一個(gè)問(wèn)題。怎么樣用好一個(gè)電池？實(shí)際上來(lái)講，借鑒我們化工能的一個(gè)管理模式是什么呢？大家都知道，化工是一個(gè)非常有用的行業(yè)，但是化工今天在全國(guó)各地都得到了很多不待見(jiàn)，很多地方都不歡迎化工，是因?yàn)橛X(jué)得化工在這方面有安全問(wèn)題、甚至是毒性的問(wèn)題。但事實(shí)上來(lái)講大家看到，我們石油化工行業(yè)有大量的反應(yīng)器，高壓的、高溫的，他們?cè)趺礃幽軌虮ＷC他的安全呢？實(shí)際上很好的一個(gè)方法，就是系統(tǒng)控制的方面。在系統(tǒng)控制論產(chǎn)生的過(guò)程中，化工系統(tǒng)工程實(shí)際上起到了非常重要的作用。我們能不能引入化工系統(tǒng)工程的原理來(lái)控制我們的電池以及電池的系統(tǒng)呢？這里面我們先來(lái)分析一下動(dòng)力電池安全產(chǎn)生的一些因素和不安全的因素。電池里面實(shí)際上來(lái)講，影響的因素非常多，所以一個(gè)系統(tǒng)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(guān)系。在這些當(dāng)中，實(shí)際上有一個(gè)狀態(tài)的估計(jì)非常重要，狀態(tài)的估計(jì)包括了核電狀態(tài)，就是一個(gè)電池我們經(jīng)?？梢钥吹降模€有多少電。另外一個(gè)，他的健康狀態(tài)，還有功率的狀態(tài)。在這里面我們可以看這樣一個(gè)卡通圖，在這個(gè)卡通圖里我們看到，每個(gè)人的手機(jī)都有這樣一個(gè)東西，當(dāng)這個(gè)電池用一段時(shí)間以后一格電沒(méi)了，用到這個(gè)時(shí)候紅色顯示你該充電了。到底怎么監(jiān)測(cè)這個(gè)電池的狀態(tài)呢？實(shí)際這個(gè)狀態(tài)是要依據(jù)我們的化工的一些系統(tǒng)工程方法來(lái)做的，我們看到左上角的這條放電曲線，就像我們化學(xué)反應(yīng)工程當(dāng)中反應(yīng)器里面濃度的變化、壓力的變化、溫度的變化，而這些變化過(guò)程當(dāng)中，是需要用一定的數(shù)學(xué)模型，去把它精確的描述出來(lái)。

這個(gè)跟什么有關(guān)呢？跟電池的材料化學(xué)體系，所以這個(gè)電池的模型建立當(dāng)中，對(duì)于磷酸鐵鋰、對(duì)鈷酸鋰、對(duì)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(duì)于錳酸鋰來(lái)講有兩個(gè)放電平臺(tái)，這兩個(gè)放電平臺(tái)怎么樣去確定它的SOC狀態(tài)？SOC實(shí)際上就是我們曲線，在4.0V的時(shí)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(méi)有了。事實(shí)上我們?cè)谧鲭姵毓芾硐到y(tǒng)的時(shí)候、做模型的時(shí)候，可不可以把這個(gè)SOC截到5%甚至1%呢。事實(shí)來(lái)講，在汽車(chē)當(dāng)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(shuí)都不敢用到。所以我們電池管理的時(shí)候一定會(huì)有一個(gè)余量。這個(gè)余量怎么去判斷？就是需要有一個(gè)精確的狀態(tài)估計(jì)，而這個(gè)估計(jì)除了材料化學(xué)體系，還有一個(gè)就是內(nèi)阻。而大家知道內(nèi)阻跟什么有關(guān)？跟我材料的體系以及溫度是有關(guān)系的，另外還有我們界面的效應(yīng)，還有電芯的管理系統(tǒng)。

所以這個(gè)過(guò)程當(dāng)中我們能測(cè)到什么？真正一個(gè)電芯測(cè)到的只有一個(gè)開(kāi)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(gè)開(kāi)路電壓，然后去確定開(kāi)路電壓與這個(gè)荷電狀態(tài)的管理，這是基于SOC模型當(dāng)中重要的理論基礎(chǔ)。所以可以說(shuō)OCV和SOC模型的精確度，是我們操控電池健康狀態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵。

做這個(gè)模型之前我們首先就要對(duì)鋰電池單體的模型進(jìn)行一個(gè)構(gòu)建，所以鋰電池的模型涉及到了方方面面，所以我經(jīng)常講，鋰離子電池的充電和放電過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，而這個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)多項(xiàng)的，它有電化學(xué)反應(yīng)，也涉及到電機(jī)動(dòng)力學(xué)，也涉及到我們的傳制過(guò)程，也涉及我們的電荷轉(zhuǎn)移，還有傳熱，所以它是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。

大家知道，在我們國(guó)家基金委的主任李院士，他提出了多尺度復(fù)雜系統(tǒng)，所以我們能不能把多尺度復(fù)雜系統(tǒng)的理論運(yùn)用到電池管理當(dāng)中呢？我們首先就要對(duì)電池的影響因素考察。我們模型外部表現(xiàn)剛才講開(kāi)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(gè)外部參數(shù)怎么樣與我們的SOC和內(nèi)阻能夠關(guān)聯(lián)起來(lái)。

從一個(gè)電芯的阻抗我們可以看到，這是我們測(cè)了一個(gè)20安時(shí)的軟包電池它的SOC和它的阻抗的關(guān)系，我們可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)SOC和阻抗它是一個(gè)變量，我們知道，做模型的時(shí)候用的很多的時(shí)候叫安時(shí)積分法，基于歐姆定律，R等于V2R，我們發(fā)現(xiàn)V和R之間都是時(shí)間的變量，這樣就產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，怎么樣能夠去收斂它。另外一個(gè)測(cè)量，我們同樣一個(gè)電芯，在不同的溫度下，在同樣的荷電狀態(tài)下，它的阻抗明顯的不同。所以說(shuō)，當(dāng)我們一個(gè)車(chē)上的電池在工作狀態(tài)的時(shí)候，它的SOC是不斷變的，所以說(shuō)會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，我們的BMS對(duì)SOC測(cè)不準(zhǔn)，因?yàn)樗谶^(guò)程當(dāng)中已經(jīng)發(fā)生變化了。

之于這樣來(lái)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(xué)的機(jī)理模型。電化學(xué)的機(jī)理模型是基于我們的電機(jī)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、我們阻抗的變化，這樣的一個(gè)工作實(shí)際上來(lái)講，我們要給予大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬。所以在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，它的精度非常高，但是它的數(shù)學(xué)模型會(huì)變得非常復(fù)雜，而復(fù)雜的結(jié)果是什么呢？會(huì)造成我們這個(gè)計(jì)算方法計(jì)算工作量的增加。

第二種，黑箱模型。我們可以假設(shè)它，我這個(gè)內(nèi)阻是在一定的狀態(tài)下是一個(gè)恒定值，這個(gè)計(jì)算就比較簡(jiǎn)單了，它參數(shù)很簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)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(gè)非常明確的這種物理定義，也很直觀，而且我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的交流阻抗去測(cè)量。當(dāng)然這個(gè)阻抗不是基于我們材料試驗(yàn)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(tǒng)，我們上海電化學(xué)能源工程中心，專門(mén)構(gòu)建了一條功率放大系統(tǒng)，加上阻抗測(cè)量，這樣就可以去測(cè)量這種，比如說(shuō)5安時(shí)、10安時(shí)、100安時(shí)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(gè)工作，我們構(gòu)建了一個(gè)開(kāi)路電壓的模型。因?yàn)殚_(kāi)路電壓是一個(gè)關(guān)鍵，開(kāi)路電壓實(shí)際上跟我們檢測(cè)到的是息息相關(guān)的，所以我們?cè)诮⒌臅r(shí)候，首先是比較了一些多項(xiàng)式的、指數(shù)型的、對(duì)數(shù)型的等各種模型進(jìn)行了比較，比較以后我們?nèi)?gòu)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(diào)性的約束，就是收斂性。所以這樣一種模型來(lái)講，我們?nèi)パ芯苛艘恢腥謨?yōu)化的方法，去進(jìn)行了優(yōu)化和計(jì)算。

這是我們通過(guò)建立的模型對(duì)美國(guó)宇航局的AMes一些數(shù)據(jù)庫(kù)的電芯進(jìn)行模擬的結(jié)果。從不同的溫度影響以及不同的計(jì)算時(shí)間我們可以看到，它的CPU計(jì)算處理時(shí)間，我們這個(gè)模型可以少于180秒，比傳統(tǒng)的充放電時(shí)間少，所以就很容易的去捕捉到這個(gè)充電和放電過(guò)程中它的狀態(tài)，如果你的計(jì)算時(shí)間非常長(zhǎng)的話，就是說(shuō)你放電的時(shí)候，你的電已經(jīng)過(guò)去了，你沒(méi)有辦法及時(shí)的捕捉到。所以在這個(gè)方程的構(gòu)建當(dāng)中，就需要去匹配它，這個(gè)表格我們比較了三種不同的模型它的計(jì)算時(shí)間以及在不同溫度下它的多項(xiàng)式的指數(shù)。

在SOC的基礎(chǔ)上我們?nèi)?gòu)建離線模型，不是在線狀態(tài)的，關(guān)鍵是怎么樣去均衡模型的精度和復(fù)雜度。因?yàn)槲覀兊哪Ｐ停覄偛胖v，如果我的等效電路模型非常復(fù)雜，我要很精準(zhǔn)的把溫度的效應(yīng)以及它的荷電狀態(tài)都檢測(cè)出來(lái)，這些過(guò)程建模型是借鑒了我們化工系統(tǒng)工程當(dāng)中，比如說(shuō)有很多的我們的設(shè)計(jì)或者實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型的模擬和回歸的方法。這些數(shù)學(xué)模型會(huì)建的非常復(fù)雜，但是它精度很好，也能算的很好。但實(shí)際上來(lái)講，可能在應(yīng)用當(dāng)中并不實(shí)用，但是這種模型可以運(yùn)用到某一些，比如說(shuō)CPU內(nèi)存很高的系統(tǒng)當(dāng)中，比如說(shuō)像現(xiàn)在華為，它運(yùn)用的一些里面來(lái)講，它的芯片計(jì)算速度非常高，它就可以來(lái)運(yùn)用我們這樣一種模型來(lái)計(jì)算。

所以我們的這些工作模型后來(lái)都是在我們化工領(lǐng)域當(dāng)中非常認(rèn)可的，像美國(guó)化工學(xué)報(bào)、化工科學(xué)方面，他們先后對(duì)我們這個(gè)工作進(jìn)行了深入的報(bào)道。我們提出了兩種計(jì)算方法，兩個(gè)模型，一個(gè)是雙目標(biāo)多項(xiàng)式模型，另外一個(gè)是單目標(biāo)的，用的就是顯式的方法、隱式的方法還有這樣一個(gè)準(zhǔn)則三種模型進(jìn)行的計(jì)算。（PPT）這個(gè)是計(jì)算的其中一種方法顯示法，得到多項(xiàng)式模型計(jì)算和預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)的性能。這個(gè)是隱式法得到的一個(gè)結(jié)論。

在離線模型基礎(chǔ)上，我們又開(kāi)始發(fā)展一種在線的模型，我們發(fā)展基于滾動(dòng)的模型，跟比亞迪合作，在它的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，這個(gè)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(gè)工作我們可以看到，在不同的DST工況下得到的結(jié)果，這個(gè)是我們得到的一個(gè)非常具有強(qiáng)魯棒性和顯示處理約束的一個(gè)滾動(dòng)的故障法的基礎(chǔ)模型。

這個(gè)模型我們可以在極端的初始調(diào)整，比如SOC等于0的狀態(tài)下或者SOC等于1的狀態(tài)下，進(jìn)行全工況的在線模擬?？梢钥吹?，我們得到的這種滾動(dòng)的方法可以快速的收斂到正確的值，具有很強(qiáng)的魯棒性。這里就是給出的兩個(gè)SOC接近于1、SOC接近于0的兩種階段狀態(tài)下模擬的一個(gè)過(guò)程。

這個(gè)里面我們可以發(fā)現(xiàn)，在估計(jì)如果偏大的時(shí)候，它的結(jié)果也是不一樣的。

這個(gè)是估算，如果極值偏小接近于0的時(shí)候它的結(jié)果。在SOC的估算下面我們進(jìn)一步發(fā)展電池的健康狀態(tài)，因?yàn)殡姵氐慕】禒顟B(tài)直接會(huì)影響到我們?cè)谲?chē)載BMS控制當(dāng)中去估算說(shuō)我這個(gè)電池大概還可以用多久，我們提出多尺度的高斯模型，用來(lái)進(jìn)行追蹤它的健康狀態(tài)。這個(gè)健康狀態(tài)的模型建立了以后，當(dāng)時(shí)我們送給了美國(guó)化學(xué)工程學(xué)報(bào)，當(dāng)時(shí)他們就提出，你這個(gè)模型有沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，最好是能夠選擇一些第三方的數(shù)據(jù)，他們就推薦我們用了美國(guó)宇航局一個(gè)電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的三款電池，編號(hào)分別是5、6、7編號(hào)的18650電池，對(duì)它的SOH進(jìn)行了估算，這個(gè)估算以后我們的精度是達(dá)到了3%以內(nèi)，它就接受了我們的工作。

最近來(lái)講，我們?cè)赟OC、SOH的估算基礎(chǔ)上進(jìn)一步去發(fā)展了一種熱電耦合模型，因?yàn)閷?shí)際上大家知道，在真正的應(yīng)用當(dāng)中它是熱也有產(chǎn)生，大家都有體會(huì)，當(dāng)你在打電話的時(shí)候，如果打的時(shí)間比較長(zhǎng)手機(jī)就會(huì)發(fā)熱，如果你在充電充的非常快的時(shí)候也會(huì)發(fā)熱，所以熱的模型實(shí)際上非常重要。

我們同樣取了20安時(shí)的軟包作為模型進(jìn)行驗(yàn)證和試驗(yàn)，我們進(jìn)一步對(duì)它進(jìn)行了測(cè)量，最近我們?cè)跓崮Ｐ蜕厦娼⒘艘粋€(gè)基于等效電路的耦合模型也已經(jīng)完成。

我們課題組本身來(lái)講，實(shí)際上從前期做磷酸鐵鋰的材料，到后來(lái)的電芯，到后來(lái)的做BMS，這也是為什么上個(gè)星期我們可以得到了國(guó)家的一個(gè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。重要的一個(gè)貢獻(xiàn)，實(shí)際上就是我們從系統(tǒng)材料開(kāi)始，到比亞迪的合作，同時(shí)，我們現(xiàn)在的模型已經(jīng)不僅僅是在比亞迪合作，先后從今年開(kāi)始與華為、南方電網(wǎng)、上海國(guó)際汽車(chē)城等等這些企業(yè)進(jìn)行了戰(zhàn)略的合作，主要是利用我們這樣一些精確的模型，同時(shí)針對(duì)他們不同的應(yīng)用場(chǎng)景，去做不同的模型以及不同模型的修正。

我們認(rèn)為，實(shí)際上如果要想精準(zhǔn)的控制和預(yù)測(cè)的話，對(duì)不同電池的材料體系，不同電池的結(jié)構(gòu)，比如圓柱的、軟包的、鋼殼的、電芯單體容量不同的大小，都會(huì)有不同的充放電特征曲線，這樣它的模型也需要進(jìn)行修正，這也是為什么我們可以有這么多不同的戰(zhàn)略合作，因?yàn)榭梢詽M足它特定的需求。

最后我想，我們通過(guò)這幾年的努力，先后建立了一些像開(kāi)路電壓、健康狀態(tài)、SOC的這些估算模型，對(duì)這個(gè)模型函數(shù)的選擇以及它的形式、參數(shù)估計(jì)的方法、計(jì)算，提出了自己特定的一些手段，同時(shí)我們也認(rèn)為，電池安全系統(tǒng)保障的基礎(chǔ)就像艾新平老師講的，材料化學(xué)體系是本身安全的一個(gè)基礎(chǔ)。電池的保護(hù)裝置，比如說(shuō)限壓過(guò)充保護(hù)、BMS優(yōu)化控制方案，是一個(gè)有效的階段。