薄膜压力感测技术在电池状态估计与预警中的应用

姜久春教授 北京理工大学深圳汽车研究院 湖北工业大学 目录 研究背景 一 储能电池薄膜力学传感技术 二 三基于力学传感的电池管理方法 四未来研究展望 一.研究背景-市场及政策 双碳背景驱动新型储能行业爆发式增长，但安全和可靠性是行业痛点问题 “十四五”规划 一.研究背景-问题与障碍 电池安全问题是制约电化学储能系统规模化发展的重要障碍 ➢热失控是严重问题； ➢热失控征兆仍没有确定性的结论； ➢现有的电压温度检测方法对于猝死电池无效。 一.研究背景-技术挑战 储能电池衰退与失效机制复杂，而传统储能系统传感信号匮乏，导致电池状态评估难，可靠运维难度大！ 电池系统需要增加新的传感系统 一.研究背景-技术挑战 50%热失控为“无征兆”的猝死型，基于电-热信号的预警方法接近极限 一.研究背景-技术挑战 ◆传统的BMS测量单体电芯的电压、模组的温度以及Pack的电流来对电池系统进行状态估计以及管理，新能源车已经证明，这套系统对于猝死电池无法做出预警 ◆厂家通过现有BMS很难识别出有问题的电芯，造成的后果就是一旦批量出现电芯制造质量问题，只能全车电池召回，成本高昂 传统BMS信号有限，无法预警猝死电池，充分识别故障电池 目录 研究背景 一 储能电池薄膜力学传感技术 二 三基于力学传感的电池管理方法 四未来研究展望 二.储能电池薄膜力学传感技术 基于压力的电池管理方法是电池应用领域的革命性变化 压力检测衍生出多种电池状态估计和故障诊断方法 项目背景二.储能电池薄膜力学传感技术 从第一性原理角度，压力反映电池结构，结构反映电池状态 传统压力传感器实际应用中空间受限 二.储能电池薄膜力学传感技术 柔性触觉（薄膜力学）传感器是国家关键卡脖子技术 亟需突破柔性薄膜压力传感技术，夺回关键技术自主权 二.储能电池薄膜力学传感技术 核心技术-第四代离电式电容传感薄膜，应用于压力感应 核心指标 c快响应时间＜5ms耐工作温度：-20℃~ 80℃准压力精度±5% FS稳24小时漂移＜3%敏最小分辨率＜5g优40000个循环幅值衰减<3% 离电式电容传感薄膜性能好，可靠性高，指标优势强 二.储能电池薄膜力学传感技术 高灵敏压力分布传感器及测量系统，应用于电池压力监测 特点及核心指标 超薄柔性：贴合电芯表面，实时监测压力分布性能优良：高精度、高灵敏度、高线性度宽温区：适应电池及环境温度变化长寿面：支持10年以上使用可定制：满足不同规格电芯集成需求 压力分布传感器适用于电池压力监测 二.储能电池薄膜力学传感技术 采用力学传感器完成电池压力信息采集 压力特征可用于优化电池SOX估计与预测 目录 研究背景 一 储能电池薄膜力学传感技术 二 三基于力学传感的电池管理方法 四未来研究展望 三.基于力学传感的电池管理方法 引入力学传感单元的BMS架构 ➢集成薄膜压力传感器，通过采集并分析电池电压、电流、电池原位压力等数据实时估算电池SOC/SOH 引入原位力学压强信号，提升SOX估计准确度 三.基于力学传感的电池管理方法 核心技术-基于国产工艺研发电-热-力集成监测专用芯片 ⚫Sigma-Delta ADC实现电压测量精度:±2 mV⚫片上温度传感器实现监测精度:±2.5 K⚫RISC-V与SAR ADC实现应力检测精度：1Mp 全球首款集成温度、电压与应力监测的AFE芯片 三.基于力学传感的电池管理方法 核心技术-电池护照与多元传感一体化芯片 集成RSIC-V微处理内核、单电芯管理与高速菊花链通信 三.基于力学传感的电池管理方法 基于多元信息的储能电池建模技术 基于多元信息可实现电池状态估计与预警 三.基于力学传感的电池管理方法 电池电化学-热-力耦合模型 3.15Voltage (V)耦合模型仿真结果 结合电池膨胀力信息搭建基于力-电信号的高精度电池状态估计模型 三.基于力学传感的电池管理方法 基于电化学阻抗谱-膨胀力联用的储能电池析锂检测 电化学阻抗谱与膨胀力联用实现储能电池析锂检测 三.基于力学传感的电池管理方法 基于电化学阻抗谱的储能电池故障预警模型 基于EIS进行电池故障分析，实现高精度电池故障预警 三.基于力学传感的电池管理方法 基于电化学阻抗谱的储能电池热失控分级预警模型 基于EIS监测识别热失控前兆，实现热失控早期预警 三.基于力学传感的电池管理方法 基于多元传感信号的故障预警模型 基于多元传感信号的故障预警模型可有效识别多种故障，保障电池运行安全 目录 研究背景 一 储能电池安全监测新架构 二 三储能电池电热力阻建模方法 四未来研究展望 四.未来研究展望 锂电池安全系统服务架构 锂电池传感芯片-新型BMS管理-云边协同预警全套系统服务 四.未来研究展望 示范工程-南方电网深圳供电局储能试点 ➢示范工程：南方电网深圳供电局工商业储能示范 ➢依托项目：国家重点课题研发计划“储能电池高精度先进测试表征和失效分析技术” ➢试点工程为200kwh储能示范项目 ➢采用280Ah储能电芯，每个pack为16个电芯，一共12组电池簇 ➢通过力学感知模组，将每个储能电芯的压力数据传输到BMS系统 ➢由BMS系统对电池单体SOX数据进行分析，并导入到EMS模块 ➢最终上传到云端，使用多模态融合算法进行数据分析，实现在线监测和预警 四.未来研究展望 基于多物理场耦合模型、碳足迹计算模型、余能评价模型等构建自特征电池护照体系 谢谢！