面向电池寿命和安全管理的电化学阻抗技术进展

面向电池寿命和安全管理的电化学阻抗技术进展 王学远同济大学汽车学院 目录 1背景2基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法5总结与展望 1研究背景 ⚫国务院《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》：加强高安全和长寿命动力电池系统短板技术攻关⚫现有电池管理系统(BMS)在面向寿命和安全评估管理上仍存在不足！ 1研究背景 1研究背景 1研究背景 实验室条件下电化学阻抗充分的工具链和仪器设备支持 应用条件下电化学阻抗 2基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法 2基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法 ⚫提出了基于阶跃信号激励的EIS计算方法⚫缩短了EIS测试时间（比正弦扫频缩短19%） X Wang,X Wei, Q Chen, et al. Journal of Energy Storage, 2019, 26(12): 1-12.X Wanget al. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(3): 3659-3672. 2基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法 ⚫提出了基于PRBS信号激励的EIS计算方法⚫进一步缩短了EIS测试时间（比正弦扫频缩短73.5%） 3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统 分布激励-分布测量 •激励测量集成度高•电路单元数量多•通信链路节点多•现有架构难兼容•低阻电池适用窄 问题 需求 高功率激励设计问题 高精度分布测量问题 兼容现有BMS硬件：⚫模拟前端AFE 3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统 ⚫发明了基于OBC激励-AFE测量的EIS测量系统⚫实现了2A激励下阻抗RMSE:|Z|＜4%@0.1~500Hz，φ＜6.9%@0.2~200Hz 3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统 ⚫开发了基于量产AFE（LTC6804）的EIS测量系统⚫实现了2A激励且电压、电流采样频率200Hz时10Hz阻抗测量，模和相角相对误差≤3% 3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统 ⚫合作开发了自主知识产权的多形态的EIS测量系统，满足不同场景需求⚫合作开发了EIS测量系统控制和分析软件，支持ECM批量拟合、DRT分析等功能⚫支持1mA-30A恒电流模式下10kHz-0.01Hz范围内EIS测试，模误差≤1%，相位误差≤1°⚫首创的监听模式可实现搭配任意充放电设备的动态EIS测量 4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法 多因素影响消除问题 4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法 （1）基于EIS特征的SOH估计方法 ⚫提出了基于EIS关键特征的SOH估计方法⚫实现了不同循环工况下均方误差≤1.25%，最大误差≤2.7% 4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法 （2）基于DRT特征的SOH估计方法 ⚫提出了基于DRT关键特征的不同SOC下SOH估计方法⚫实现了不同循环工况在所有SOC下平均绝对误差≤1.87%，均方误差≤2.08% 4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法 （3）基于EIS估计SOH的迁移学习算法 ⚫提出了利用基于双向长短期记忆网络的容量估计方法，容量检测时间缩短至1.67分钟⚫提出了基于特征匹配的迁移学习方法，在基础模型上引入少量数据样本实现90%以上精度提升 •退役NCM电池，MAPE：2.33%，RMSPE：2.75%•退役LFP电池，MAPE：4.12%，RMSPE：5.04% 4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法 （4）基于特征阻抗角的平均温度估计方法 ⚫实现了LFP电池在脉冲工况和NEDC工况下温度估计误差≤0.6℃ 4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法 （5）基于转移阻抗的恒电流充电析锂诊断方法 ⚫揭示了析锂发生时电池传荷相应的（1Hz-100Hz）阻抗有减小的规律⚫发明了基于阻抗演变异常识别的恒电流快充中析锂诊断方法，最大误差≤4.5%SOC 5总结与展望 总结：⚫EIS计算：多谐波信号激励可以实现宽频阻抗的同步测量，相比于正弦激励的速度提升至少73.5% ⚫EIS测量：集中激励-分布测量方案兼容电动车辆现有能源动力电子电气架构（BMS架构），易于工程应用⚫EIS应用：基于EIS可以实现动力电池寿命和安全相关的评估诊断，促进电动车辆的智能能源系统管控展望： ⚫在新型电化学体系（钠离子电池、固态电池、燃料电池、电解池等）上的应用扩展⚫在固定式储能场景上的应用扩展 谢谢！