同濟(jì)大學(xué)魏學(xué)哲：動(dòng)力電池信息“白箱”探索
圖為同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院副院長(zhǎng)魏學(xué)哲發(fā)表演講
10月17日，“第五屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)（CBIS2020）暨首屆中國(guó)新能源新材料（寧德）峰會(huì)”在福建寧德召開(kāi)。本屆峰會(huì)由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)、福建省寧德市人民政府、電池中國(guó)網(wǎng)，以及寧德時(shí)代、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)國(guó)家工程研究中心和21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主辦。在“發(fā)掘動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值與機(jī)會(huì)”主題論壇上，同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院副院長(zhǎng)魏學(xué)哲發(fā)表了題為《為云管理賦能——鋰離子電池電化學(xué)阻抗車(chē)載獲取和應(yīng)用》的主題演講。
“做電池管理最基本的一個(gè)問(wèn)題是希望把化學(xué)、物理的東西數(shù)學(xué)化、信息化、透明化，”演講伊始，魏學(xué)哲首先向與會(huì)代表揭秘了推動(dòng)電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池管理等方面要與大數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)系的內(nèi)在邏輯。
由于動(dòng)力電池目前還有很多問(wèn)題還亟待解決，如衰減過(guò)快、衰減無(wú)法準(zhǔn)確判斷，充電、續(xù)航、安全等都沒(méi)有具象化、可視化的信息可做參考，目前電池就像一個(gè)完全“黑箱”的東西，我們?nèi)绾伟选昂谙洹弊兂伞盎蚁洹保詈笞兂伞鞍紫洹保俊拔覀円鲆粋€(gè)透明的發(fā)動(dòng)機(jī)，你不要以為它就是個(gè)鐵疙瘩，其實(shí)整個(gè)燃燒過(guò)程我們可以看得一清二楚，就是同樣要把電池逐漸從‘黑箱’變成‘白箱’，這將是電池規(guī)模應(yīng)用必須要面對(duì)和解決的一個(gè)非常基本的問(wèn)題。”魏學(xué)哲表示。
魏學(xué)哲還指出，未來(lái)汽車(chē)“智能化”將是必備屬性，而電動(dòng)汽車(chē)也是一個(gè)智能移動(dòng)終端載體，不僅僅是是一個(gè)交通出行工具，“單一的車(chē)輛一定會(huì)和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算結(jié)合在一起。”這就需要對(duì)電池各方面的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行‘可視化’，發(fā)展到目前的第三代電池管理系統(tǒng)一定要能夠做到精準(zhǔn)、及時(shí)全周期的電池狀態(tài)估計(jì)和診斷管理，這也將為智能化提供很好的基礎(chǔ)。
此外，目前電動(dòng)汽車(chē)殘值比較低的問(wèn)題比較突出，而核心問(wèn)題是電池的殘值很低。“當(dāng)我們對(duì)一個(gè)東西不了解的時(shí)候，一般都會(huì)按照最低的價(jià)格來(lái)評(píng)估它，電動(dòng)汽車(chē)殘值低的問(wèn)題核心就是電池信息不透明，”魏學(xué)哲表示，可能很多電動(dòng)汽車(chē)退役后，電池仍然是好的，可以繼續(xù)使用或梯次利用，但是缺乏關(guān)于電池的詳細(xì)信息數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)社會(huì)上也缺乏相關(guān)積累，因而都會(huì)按照最差的“價(jià)格”來(lái)估計(jì)它，這也是電動(dòng)汽車(chē)殘值低的問(wèn)題所在。
無(wú)論是基于對(duì)電池信息的“白箱”研究，還是為了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，亦或者為了后續(xù)的再利用，對(duì)電池信息，尤其是全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)做到“可視化”都非常必要且迫切。
正是基于此認(rèn)識(shí)，同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院和國(guó)內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)正在努力尋找電池“可視化”的途徑，并且很多理論數(shù)據(jù)應(yīng)用到實(shí)際測(cè)試中。
“阻抗是電池信息的重要特征參數(shù)，”魏學(xué)哲解釋稱，充放電過(guò)程中包括Li+在內(nèi)的離子和電子不斷在電池內(nèi)部定向運(yùn)動(dòng)，阻抗反映了離子和電子在電池不同區(qū)域、不同過(guò)程運(yùn)動(dòng)所受到的阻力，而滿足線性、穩(wěn)定性、因果性條件下，通過(guò)對(duì)電池上的電壓、電流進(jìn)行時(shí)頻域分析可以得到阻抗，而基于這種理論演繹和驗(yàn)證，則可以進(jìn)一步了解電池的真實(shí)狀態(tài)。
魏學(xué)哲指出，阻抗是包括鋰離子電池在內(nèi)的化學(xué)電源的重要參數(shù)，與內(nèi)部過(guò)程密切相關(guān)。“對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用，電池阻抗數(shù)據(jù)的將為云端電池管理提供新穎的角度；以目前的技術(shù)現(xiàn)狀，在充電時(shí)完成阻抗測(cè)量已具備工程化應(yīng)用的可能；基于電池阻抗可以實(shí)現(xiàn)溫度估計(jì)、壽命狀態(tài)估計(jì)、壽命預(yù)測(cè)、壽命衰減模式識(shí)別、診斷等豐富應(yīng)用，”魏學(xué)哲表示，未來(lái)能源網(wǎng)絡(luò)高度依賴化學(xué)電源，阻抗在不同場(chǎng)景具有廣闊的應(yīng)用空間，“阻力”變“動(dòng)力”。
演講中，魏學(xué)哲進(jìn)一步介紹了LFP和NCM電池材料在阻抗方面的特性。據(jù)魏學(xué)哲介紹，對(duì)于所研究的LFP和NCM電池，存在一定頻率范圍內(nèi)（1Hz~100Hz）的阻抗角對(duì)溫度變化非常敏感。“阻抗角對(duì)溫度非常敏感的特征，以及雙方的密切關(guān)聯(lián)性，對(duì)電池內(nèi)部溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)算和驗(yàn)證，可逐漸使得其更為透明，“基于此理論和方法，目前內(nèi)部測(cè)算跟實(shí)際結(jié)果誤差可以控制在0.5度以內(nèi)。”據(jù)魏學(xué)哲透露，這將對(duì)電池的信息掌握提供很強(qiáng)的參考價(jià)值。
魏學(xué)哲表示，在整個(gè)能源革命里面，電池都會(huì)扮演一個(gè)核心角色，這個(gè)核心角色里面我們需要對(duì)它進(jìn)行“白箱化”處理，對(duì)這個(gè)電池的內(nèi)容搞清楚，阻抗是一個(gè)重要的參數(shù)，而除了阻抗這個(gè)參數(shù)，其實(shí)還有其他參數(shù)我們需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。
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