同濟(jì)大學(xué)魏學(xué)哲：電池設(shè)計(jì)和管理需要數(shù)字化驅(qū)動(dòng)
近期，在第七屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2022)上，CBIS2022大會(huì)主席、同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院教授魏學(xué)哲發(fā)表了題為《數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)電池變革》的主題演講。
魏學(xué)哲指出，“當(dāng)前電池設(shè)計(jì)需要數(shù)字化驅(qū)動(dòng)。”
一方面，電池性能的不斷提升需要兼顧正負(fù)極材料、電解液、隔膜材料的性能優(yōu)化和安全保障，但是各種性能指標(biāo)優(yōu)化又容易產(chǎn)生互相的矛盾，關(guān)系非常復(fù)雜，這也是電池升級(jí)的瓶頸所在。
另一方面，現(xiàn)在的電池結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。一是能量密度的提高使電池單體不斷增大。二是大容量單體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更容易導(dǎo)致溫度、壓力不均勻性，同時(shí)極片面內(nèi)極化也加劇。三是大容量單體的不一致使得成組一致性問(wèn)題加重，難以有效管理，影響電池壽命和安全性能。
魏學(xué)哲認(rèn)為，為了滿(mǎn)足材料優(yōu)化的需求，解決電池結(jié)構(gòu)變化所帶來(lái)的各種問(wèn)題，電池設(shè)計(jì)走向數(shù)字化是必然需求。
同時(shí)，隨著電池技術(shù)的快速發(fā)展，從早期基于標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電池設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足容量、循環(huán)性能基本要求，已經(jīng)發(fā)展到當(dāng)前電池性能已基本滿(mǎn)足需求，而儲(chǔ)能電站、快充、換電等電池應(yīng)用場(chǎng)景的多元化趨勢(shì)，需要根據(jù)不同的需求從電池底層設(shè)計(jì)著手，這也使數(shù)字化驅(qū)動(dòng)電池設(shè)計(jì)逐漸受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
“不僅是電池設(shè)計(jì)層面，電池管理系統(tǒng)同樣也有數(shù)字化需求。”魏學(xué)哲表示。
當(dāng)前復(fù)雜的車(chē)用需求為電池管理系統(tǒng)提出更高要求。電池管理系統(tǒng)需要管理成百上千節(jié)電池，監(jiān)控電壓、電流、溫度、高壓系統(tǒng)，預(yù)估充放電功率、剩余電量和壽命，實(shí)現(xiàn)均衡管理、熱管理、充電管理等。
魏學(xué)哲指出，“從電池管理系統(tǒng)的演變可以看出，第一代BMS面向電壓、電流、溫度閾值管理，主要作用是‘維持生存’;第二代BMS面向電量、功率、能量估計(jì)管理，‘解決溫飽’;第三代BMS則面向壽命和安全評(píng)估管理，要保障電池系統(tǒng)‘健康長(zhǎng)壽’。”
BMS的迭代使其功能更為復(fù)雜和全面，其管理方法也從黑箱、灰箱逐漸迭代到白箱。而白箱需要更精細(xì)化的測(cè)量，因此數(shù)字化成為電池管理系統(tǒng)迭代的根本出路。
基于上述市場(chǎng)需求，魏學(xué)哲介紹了電池設(shè)計(jì)和BMS改良的數(shù)字化的基本思路及團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果，并指出，“最近幾年歐盟也提出智能電池概念，這意味著智能化、數(shù)字化要深入到電池內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)比如在電池老化過(guò)程中對(duì)壓力的測(cè)量，對(duì)內(nèi)部溫度、電流密度、電位等重要指標(biāo)的測(cè)量。不能簡(jiǎn)單地假設(shè)電流密度、電位、溫度都是均勻分布的，這些假設(shè)都必須打破，而需要進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，并把數(shù)據(jù)信息傳到電池外。”
由此，魏學(xué)哲指出，“建模和測(cè)量是電池?cái)?shù)字化的基礎(chǔ)。”他還分享了他們團(tuán)隊(duì)就數(shù)字化建模、測(cè)量、管理等方面在電池變革中的方法學(xué)和最新研發(fā)進(jìn)展。
他還強(qiáng)調(diào)，從電極機(jī)理，到車(chē)上電源甚至到云端的數(shù)字孿生，必須要打通整個(gè)體系，而關(guān)鍵方法就在于數(shù)字技術(shù)，通過(guò)數(shù)字化建模、測(cè)量和管理，從而實(shí)現(xiàn)電池外部無(wú)損測(cè)量，電池內(nèi)部深度測(cè)量，以及精確狀態(tài)優(yōu)化管控，車(chē)網(wǎng)互動(dòng)主動(dòng)管理。
魏學(xué)哲認(rèn)為，“電池行業(yè)將會(huì)和機(jī)械或者電子行業(yè)走同樣的路程，前一個(gè)階段主要是以材料技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)，后一個(gè)階段材料技術(shù)仍然會(huì)是一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力，但是與此同時(shí)數(shù)字技術(shù)會(huì)成為新的驅(qū)動(dòng)力。在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力下，數(shù)字化將成為電化學(xué)電源系統(tǒng)的核心方法論。”
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