9月22日上午，由中國化學(xué)與物理行業(yè)協(xié)會動力電池應(yīng)用分會和電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦，全球未來出行大會組委會戰(zhàn)略支持，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院、優(yōu)必愛信息技術(shù)(北京)有限公司重點(diǎn)支持的“Li+學(xué)社·成就鋰享智信未來（2018）電池技術(shù)沙龍”第五期：“歸因重組-大數(shù)據(jù)解開電池安全困局”沙龍在杭州國際博覽中心舉辦。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院姜波博士在沙龍上做主題演講，以下是演講內(nèi)容。

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院姜波博士：

非常感謝周總給我這個機(jī)會跟各位同行來進(jìn)行分享。剛剛代東舉從電芯介紹了一下他們富鋰錳的電池，鄭總從PACK級別介紹了一下他們做的東西，我就簡單從BMS的角度進(jìn)行報告。我是來自同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院新能源汽車儲能電源系統(tǒng)科技組，我今天的題目是“鋰離子電池容量估計與壽命預(yù)測》，主要從汽車單體級別來進(jìn)行簡單的分享。

首先介紹一下我們課題組，成立于2002年同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院成立的時候，我們也開始發(fā)展。主要的研究方向是新能源汽車的儲能電源系統(tǒng)，針對的方向是電池。一個方面是電池包與電機(jī)之間的管理，包括電池管理系統(tǒng)、電池模型、SOC估算等。另一方面是電池方面的應(yīng)用，包括電能變換、電力變換器等等。我們現(xiàn)在的孫澤昌教授是汽車電子方向?qū)W科帶頭人，還有韋教授是汽車學(xué)院副院長，還有戴教授，主持并參與多項(xiàng)國家級和省部級的科研項(xiàng)目橫向課題等等。

我們課題組的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在過鎳還是比較成熟的，目前有多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括充放電設(shè)備、電華阻抗測試儀以及恒溫箱等，基本實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的充放電測試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具備多臺工作站，能夠提供電池仿真以及數(shù)據(jù)處理的平臺，我們還基本滿足電子及電力電子設(shè)計制作、測試需要，具備電池成組及管理技術(shù)。

我的報告將主要分為這幾個方面。首先是背景的簡單介紹，其次是電池模型及參數(shù)辨識，第三個是電池SOC及電池容量的聯(lián)合估計，第四方面是電池剩余壽命的預(yù)測，我做這個東西時間也不長，可能做的還比較淺，有什么問題歡迎大家指出。

目前來說大家關(guān)于動力電池主要有三個方面的問題。一個是電動里汽車的里程擔(dān)憂問題，我們一直在考慮我們電池包一次充電的續(xù)航里程有多少，這邊有目前一個車廠給出的續(xù)航里程，NEDC在355公里，等速里程在500公里，這是一個電池容量的估計問題，到底這個電池包有多少的容量能夠?yàn)槲业恼囂峁┮粋€續(xù)航。

第二個是電動汽車的電池壽命問題，按照當(dāng)前的車輛使用狀況電池還可以用多久，我跑了200公里以后，還可以再跑多少電池的性能會衰減到不能滿足要求。國內(nèi)的電池充電次數(shù)可以達(dá)到1500次，遠(yuǎn)到于特斯拉的5百次充電次數(shù)，這是一個電池壽命的預(yù)測問題。

第三個是電動汽車安全問題，目前已經(jīng)有多輛汽車發(fā)現(xiàn)了熱安全問題，因?yàn)殡姵氐娜萘恳约包c(diǎn)的壽命是息息相關(guān)的，我今天主要針對動力電池的容量估計問題以及隱藏的壽命估計問題簡單介紹一下。

這是一個簡單的總結(jié)，如何定義電池容量？我們定義電池從滿充裝了到放空狀態(tài)所轉(zhuǎn)移的電荷量。滿充狀態(tài)就是以CCVCA的充電方式達(dá)到滿充狀態(tài)，從滿充到放空狀態(tài)的電荷量。我們?yōu)槭裁匆@樣來定義？一個是電池容量大小影響電動汽車一次充電續(xù)航里程，還有電池管理有很多的關(guān)鍵狀態(tài)，SOC和SOH的估算都需要用到電池容量的信息。

現(xiàn)在整包的電池容量存在一些難點(diǎn)，比如說SOC、端電壓變化等等，如何從這些信息當(dāng)中提取電池容量的信息還是比較困難的，并且SOC的估計可能會存在誤差，端電壓的采集可能會造成誤差，我們?nèi)绾稳ゲ扇‰姵厝萘康男畔⑹潜容^困難的。還有電池模組層，電池單體不一致會與某組產(chǎn)生非線性映射。

關(guān)于動力電池的壽命預(yù)測問題，從當(dāng)前時刻開始，電池性能初次衰退到閾值條件時所經(jīng)歷的時間或者充放電周期次數(shù)。一般我們有容量、內(nèi)阻或者是功率，一般容量衰減到80%或者是內(nèi)阻達(dá)到了1.5倍，功率達(dá)到了80%就不能滿足動力電池的需求了，我們就定義為動力電池不能用了，以此來預(yù)測電池壽命的狀況。

我們有兩個意義。一個是經(jīng)過預(yù)測電池性能變化，支撐預(yù)測維護(hù)與保障，避免系統(tǒng)損壞。第二個是可以指導(dǎo)更科學(xué)的電池管理方法，更長久來提高電池的使用壽命。

目前電池壽命預(yù)測也存在很多困難。一個是我們在實(shí)驗(yàn)室里面做的一些數(shù)據(jù)，壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對比以評估電池技術(shù)的進(jìn)步，但工況比較單一，很難達(dá)到一個統(tǒng)一的評價，并不能建立與實(shí)車應(yīng)用的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)車壽命預(yù)測存在困難。

第二個是模組壽命遠(yuǎn)小于單體的壽命，因此單體壽命評價與電池組壽命評估并不一致這是兩個主要的難點(diǎn)。

這是我們目前在做的一個動力電池單體SOC與電池容量的聯(lián)合估計以及電池壽命預(yù)測的框架。主要包括三個方面，一個是電池模型及參數(shù)辨識，這個有如下幾個小點(diǎn)，一個是電壓電流數(shù)據(jù)采集，建立電池模型之后，對電池模型進(jìn)行一個參數(shù)的辨識，它首先要基于一些數(shù)據(jù)的測量，比如說電池SOC和OCV的數(shù)據(jù)測量，并且要測量電池在不溫度、老化下的數(shù)據(jù)。

在獲取電池模型及參數(shù)之后可以進(jìn)行一個聯(lián)合的估計，主要包括兩個方面，一個是電池SOC自適應(yīng)估計，然后再進(jìn)行一個電池容量估計，估計出來了以后可以進(jìn)入到一個電池的壽命預(yù)測，同樣我們需要一些數(shù)據(jù)的支持，我們需要測量一個離線電池衰減時電池容量的數(shù)據(jù)，然后在實(shí)際方法中進(jìn)行使用，來更新其中的參數(shù)，從而達(dá)到預(yù)測電池壽命的需求。

第一方面是電池模型及參數(shù)辨識，簡單介紹一下我們所做的一些東西和成果。我們從電池18秒的放電數(shù)據(jù)中截取了幾個片段，AB段可以體現(xiàn)出電池時間尺度為微秒級的活化極化引，然后可以進(jìn)行總結(jié)，總結(jié)出來比較常用的模型，它是串聯(lián)在一起的一個模型。

這個模型可以簡單描述出電池的一些動態(tài)的特性，但我們需要注意，這個電池模型的一些參數(shù)，比如說R0、RP會根據(jù)電池的溫度還有SOC發(fā)生變化，所以我們需要對它進(jìn)行一個在線的估計，目前的估計就是使用遞推最小二乘算法進(jìn)行估計，它有一些優(yōu)點(diǎn)。

比如說計算量小，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了電池模型參數(shù)的在錢辨識。這是電池模型參數(shù)辨識的結(jié)果，這面這張圖是電池的歐姆內(nèi)阻，這邊是典型的結(jié)果，虛線是一個正式值這是一個訪問的結(jié)果。從這三個圖可以看出來電池模型的參數(shù)，使用剛剛提到的算法它的收斂速度比較快，而且收斂后沒有發(fā)生跳變，這是可以接受的。

我們可以看出，大約在1百秒之前，電池的電壓是有較大誤差的，但在之后電池的端電壓基本上是比較一致的，這是一個NDC的工況，在末期的時候有一個較大的電流，存在大電流的情況下模型的參數(shù)沒有進(jìn)行更新可能會存在較大的誤差，但是綜合考慮這個模型以及遞推最小二乘算法，我們覺得這個結(jié)果還是可以接受的，可以使用這個模型算法和參數(shù)來用與后面的SOC以及容量估計。

我們還考慮了這樣一個問題，我們電池的電壓在測量的時候可能會存在一些噪音，假如存在的時候，對于電池系統(tǒng)來說是存在一個有色噪聲，傳統(tǒng)的RLS算法辨識出來的結(jié)果是有偏的，我們采用了偏差補(bǔ)償最小二乘算法，基本上能夠解決電池電壓存在量測聲音的問題。

右邊實(shí)線是電池模型的正式結(jié)果，下邊的點(diǎn)線是存在噪聲情況下傳統(tǒng)的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)它的誤差還是比較大的，但是我們使用了偏差補(bǔ)償最小二乘算法的時候，虛線是我們改進(jìn)后的算法，這個結(jié)果或是比較令人滿意的，也是比較靠近的，端電壓結(jié)果也是如此。

這個是我們在不同溫度以及不同電池老化狀態(tài)下的參數(shù)辨識結(jié)果，我們可以看出，隨著電池溫度的降低，電池歐姆內(nèi)阻和計劃內(nèi)阻是增大的，電池的計劃內(nèi)阻是增大的，這個與我們目前測量低溫下電池內(nèi)阻增大是符合的，隨著電池的老化，電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻也是增大的，這個也是符合的，并且我們還可以看出，藍(lán)色的線是UDDS的工況，紅色的是NEDC工況。我們有必要用在線辨識的方法來看參數(shù)，因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行的工況可能會導(dǎo)致另外一種狀況，所以我們要實(shí)際來辨識這些參數(shù)。

這是目前SOC估計與電池容量估計算法的介紹，首先介紹一下SOC的算法。第一個是安時積分法，這是目前用的比較多的算法。它的定義是通過當(dāng)前電池電荷量比上電池最大容量，通過時時刻刻累加來求得SOC，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，但是它也有很多的缺點(diǎn)，一個是無法知道準(zhǔn)確的SOC初始值。

第二個是說電量測量傳統(tǒng)的傳感器可能會存在偏差，最終會導(dǎo)致SOC估計的偏差學(xué)習(xí)大。目前我們可能有一些BMS中選用了兩個傳感器，就在無形之中增大了他們的BMS的成本。

第三個是電池容量存在偏差時，誤差也會比較大。第四個是沒有一個實(shí)時的校準(zhǔn)機(jī)制，不能實(shí)時可根據(jù)當(dāng)前的電壓采集對SOC進(jìn)行校準(zhǔn)，一般是在充電末期的時候?qū)﹄姵氐碾妷篠OC進(jìn)行校準(zhǔn)，這個是它存在的幾個缺點(diǎn)。

第二個是開路電壓法，發(fā)現(xiàn)電池SOC和開路電壓有一個比較明顯的關(guān)系，而且這個關(guān)系也是比較準(zhǔn)確的，這樣我們就可以利用開路電壓來確定SOC。目前大家用的方法一個方面是測量開路電壓，需要較長時間的靜置，正常情況下車輛在運(yùn)行過程當(dāng)中，可能會存在一些誤差，因?yàn)檐囕v沒有那么長時間的靜置。我們可以預(yù)測開路電壓來估計SOC，但預(yù)測開路電壓還是比較困難的，目前做的人也不是很多。

另一方面，我們發(fā)現(xiàn)某些電池在充放電過程當(dāng)中存在一些效應(yīng)，就是充電和放電的開路電壓有一些誤差，我們用來估算SOC由于這種實(shí)時效應(yīng)會造成一些誤差。

第三個是內(nèi)阻測量法，內(nèi)阻與SOC也有一些關(guān)系，但測量比較困難。

第四個是卡爾曼濾波法，還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，根據(jù)電壓的輸入等等來估計SOC，但這個不是很適合在嵌入式BMS中適用，這是SOC估計算法的簡介。

這是電池容量估算法的方法簡介，一個是基于SOC變化與電流累計的估算算法，這個也是基于SOC的定義出發(fā)的，假設(shè)SOC估計準(zhǔn)確的話，誤差主要來源于分母C，這樣來求出電池容量。

第二種方法我們把電池容量當(dāng)成一個參數(shù)，我們用雙辨識器的方法來估算出來。

第三種方法是基于ICA或者DVA的容量估算算法，我們對于電池SOC的數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理，我們發(fā)現(xiàn)有很多的特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)是與電池容量有關(guān)系的，可以通過采集這些特征點(diǎn)來進(jìn)行估計，這三種方法目前都有人用，各有利弊。

我們做一個SOC與電池容量估計，我們選擇了卡爾曼濾波法和基于SOC變化與電流的變化進(jìn)行電池容量的估計。這是一個卡爾曼濾波法的簡介，一個是狀態(tài)預(yù)測過程，根據(jù)上個時刻的狀態(tài)以及這個時刻的輸入求得此時的狀態(tài)，然后來求得SOC，右邊是一個簡單的方程。

我們擴(kuò)展卡爾曼濾波法來進(jìn)行預(yù)計的時候，其實(shí)還是存在一些誤差的，因?yàn)閿U(kuò)展卡爾曼濾波法需要預(yù)先涉及一些系統(tǒng)方差，我們發(fā)現(xiàn)電池在百分之50的時候存在一個較大誤差，因?yàn)槲覀儗﹄姵啬Ｐ瓦M(jìn)行信息化的時候，這個平臺去進(jìn)行信息化的時候可能會存在一些建模的誤差。

第二個誤差是SOC比較低的情況下，傳統(tǒng)的電動模型不能很好描述電池的特性，如果我們存在這種建模誤差的話，但是我們?nèi)匀皇褂靡粋€固定的系統(tǒng)當(dāng)中的方差，就會到一個SOC的估計誤差，目前有很多的學(xué)者提出使用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法，根據(jù)SOC的估計情況和電壓層的情況，來估計系統(tǒng)方差和建模方差，從而使SOC達(dá)到自適應(yīng)。

簡單介紹一下擴(kuò)展卡爾曼濾波法算法，可以根據(jù)觀測信息對系統(tǒng)的Q和R進(jìn)行實(shí)時修正，從而獲得更為準(zhǔn)確的狀態(tài)估計。這個一個狀態(tài)的仿真，擴(kuò)展卡爾曼濾波的情況下，我們的R是實(shí)時修正的，而不是傳統(tǒng)設(shè)置一個值就不變的，這個可以根據(jù)工況和電池的模型進(jìn)行調(diào)整，這樣就可以得到一個更加準(zhǔn)確的SOC。

這是我們SOC的一個估計的結(jié)果。左邊圖是設(shè)定了一個準(zhǔn)確的SOC，真實(shí)情況下從SOC百分之百開始放電，算法里也是百分之百，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果還是比較準(zhǔn)確的，SOC的估計誤差在負(fù)1.1%到2.6%。

右邊是SOC初始值不準(zhǔn)確，比如說真實(shí)是百分之百，算法里面是50%開始估計，經(jīng)過一段時間之后，我們算法估計出來的SOC很快跟蹤到了一個真實(shí)的SOC，在收斂之后，SOC估計誤差也是在負(fù)1.2%到2.5%，這個結(jié)果也是可以接受的，總體來說在2.5%以內(nèi)，可以提供一個準(zhǔn)確的SOC輸入。

電池容量的原理，我們是一個基于SOC變化與電量累計的電池容量估算算法，這是一個公式，我們認(rèn)為兩點(diǎn)的SOC估計值是準(zhǔn)確的，以及電池測量是準(zhǔn)確的，因?yàn)楝F(xiàn)在有很多的電流傳感器，可以用兩個進(jìn)行校準(zhǔn)。我們認(rèn)為不準(zhǔn)確的就是分母Q，從而可以根據(jù)這個公式計算出電池的容量，我們可以用電量累計除以SOC的變化來得到電池的容量，也可以把電池容量當(dāng)成一個參數(shù)用一些遞推全局最小二乘或者遞推最小二乘法來進(jìn)行估算的精度。

這是我們的估計結(jié)果就是SOC與電池容量聯(lián)合估計的算法結(jié)果，第一個是電池容量衰減4%的結(jié)果，可以看到這個估計出來的結(jié)果基本上與正常的結(jié)果是一致的，差別也不大。下面是電池容量衰減10%的時候估計的結(jié)果，經(jīng)過兩三次的迭代以后，電池容量能夠收斂至正確值，而且估算的誤差在5%以內(nèi)。

這個是我們電池壽命預(yù)測的簡單框架，我解釋一下。我們的這個算法用的是右邊這張，首先能夠基于SOC的變化累計的電容量估計得到個電池容量，輸入到RUL預(yù)測算法里面，但是電池容量估計還有其他的算法。

比如我們可以用一些數(shù)據(jù)訓(xùn)練的方法，來估計出來電池容量。我們可以看左邊這張圖是我們比較常見的一個電池CCV的充電曲線。我們可以挖掘出來一些數(shù)據(jù)，比如說CC階段充電的電池容量，還有CV階段充電的容量，以及CV階段最后的電流，我們都可以從這些數(shù)據(jù)當(dāng)中進(jìn)行挖掘和訓(xùn)練，從而可以發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系，從而推算出電池容量的算法，如果我們采用這種方式也可以進(jìn)行電池容量的估計，從而為使用方法一來進(jìn)行一些校準(zhǔn)，這個也是有助于我們提高估計的精度。

在估計出來電池容量之后，就可以把它輸入到生命預(yù)期中。我們選用一個常用的經(jīng)典模型，通過電池容量的采集，可以對電池模型進(jìn)行初始化，我們采集出來一些容量點(diǎn)，可以輸入到這個算法當(dāng)中，使用一些濾波的算法來計算一些參數(shù)，然后為電流預(yù)測采取一些估計值，來算出剩余的壽命。

這是我們目前用的比較多的一些電池的剩余壽命模型。這個是機(jī)理模型，這個是電機(jī)里面的一些化學(xué)反應(yīng)推導(dǎo)出電池壽命與哪些因素有關(guān)，這些公式比較復(fù)雜，可能需要一些化專門研究電芯的人來研究，這是機(jī)理模型。

從機(jī)理模型出發(fā)可以進(jìn)行一些降階處理，把這些數(shù)據(jù)歸納可以進(jìn)行一些經(jīng)驗(yàn)，這些叫做半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｎ覀兛梢詮臄?shù)據(jù)的角度出發(fā)得到一些經(jīng)驗(yàn)的模型，我們測量電池在每一個循環(huán)的電池容量，我們對電池的容量進(jìn)行一些估算，這底下是比較常見的階段模型。

通過我們估計到的電池模型來估計電池的參數(shù)，從而達(dá)到電池壽命預(yù)測的目的，這是基于電池容量的一個電池壽命預(yù)測的方法框架，我們首先會做一些數(shù)據(jù)的測量，就是電池容量的測量，確定我們這樣的一個經(jīng)典模型，對四參數(shù)進(jìn)行初始化，我每次把電池容量估計出來之后，我會輸入到算法當(dāng)中，我會根據(jù)我上次的點(diǎn)容量來更新這樣一個模型的參數(shù)，之后就可以估計出下一次的電池容量，下一次估計出來準(zhǔn)確的電池容量以后，可以反饋校準(zhǔn)這些參數(shù)，從而達(dá)到時時刻刻更新電池壽命預(yù)測參數(shù)的效果，相當(dāng)于把電池容量衰減的過程預(yù)測出來，這樣才能預(yù)測出來電池的容量什么時候衰減到不能用，有這樣一個壽命預(yù)測的理念在里面。

這是我們簡單做了一個結(jié)果也是剛剛開始做，這個結(jié)果的誤差可能比較大，這個就不介紹了。

簡單做一下總結(jié)。我們正在做什么事情呢？建立了一套電池單體層面，SOC與電池容量聯(lián)合估計以及電池壽命預(yù)測的算法框架。目前我們?nèi)〉玫某晒軌虮ＷCSOC估計在2.5%誤差以內(nèi)，以及電池容量估計誤差在5%以內(nèi)。

目前我們即將要做的事情，我們會研究電池單體不一致導(dǎo)致的單體特性與模組特性的非線性映射，還有電池壽命方面，建立實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與實(shí)數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，爭取在實(shí)車上應(yīng)用，能夠?yàn)閷?shí)車運(yùn)行電池壽命提供算法基礎(chǔ)，爭取在實(shí)上進(jìn)行應(yīng)用。