Xia Lei：基于行業(yè)建模方法的電池管理系統(tǒng)
5月24日，CIBF2018 第十三屆中國國際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開幕。美國Siatron公司Xia Lei博士在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
電池管理系統(tǒng)有什么功能？第一，要把你放進(jìn)去的能量最大化限度的用出來，可能充了100度電，但是不是能用出來100度電，這些電用到哪里去了，能用到70-80度電就非常不錯(cuò)了。第二，能不能滿足功率的要求，乘務(wù)車百公里加速是多快的概念，商務(wù)車爬坡的時(shí)候能不能爬上去，軍事上的車逃跑的時(shí)候能不能跑的快，這些都是非常重要的問題。
下面一個(gè)非常實(shí)際的問題，車?yán)锩孢€剩下多少度電，還能走多遠(yuǎn)，這也是電池管理系統(tǒng)需要告知的問題。這個(gè)電池的健康狀態(tài)是不是還能繼續(xù)工作，還是說已經(jīng)衰減的很厲害了，而且還能給這個(gè)電池做什么工作，如果這個(gè)電池衰減或不匹配還能做什么工作，均衡也是屬于這個(gè)范疇。
還有一個(gè)非常重要的方面就是充電，能充的多快，能不能安全的充電。電池千萬不要著火爆炸，做電池管理系統(tǒng)的人比較尷尬，事情做好了是電池的功勞，是電池有本事，干不好是電池管理系統(tǒng)沒管好，經(jīng)理沒管好，所以責(zé)任都在我們身上。
看看這些電池管理系統(tǒng)應(yīng)用在哪些地方，這些地方也是二三十年工作經(jīng)驗(yàn)的地方，在航空系統(tǒng)里面，做論文的時(shí)候跟美國國家宇航局做低空飛行的電池系統(tǒng)，這里面要求白天是太陽能充電，晚上是電池放電，周期要放幾萬次，3-5萬次。白天和晚上很快，90分鐘、一個(gè)半小時(shí)轉(zhuǎn)一天，45分鐘白天，45分鐘黑夜，這個(gè)過程非常快。
另外，在飛機(jī)公司工作了一段時(shí)間，有幸參與到最先進(jìn)的飛機(jī)，也是最電氣的飛機(jī)的工作，本來一個(gè)好的電池，結(jié)果飛上去以后一兩個(gè)電池?fù)Q了以后傳到別的地方去了，因?yàn)檫@個(gè)問題，飛機(jī)公司最好的一架公司損失了上百億美金，就因?yàn)橐粋€(gè)小小的電池問題，別人的成效和工作都浪費(fèi)在這么一件事情上。
參與過兆瓦級、幾十兆瓦級的能量存儲(chǔ)，最多的時(shí)間還是在汽車公司工作，在一家很大的汽車公司，從很古老的幾十年前做的電動(dòng)汽車到新一代的電動(dòng)汽車，EV1是電動(dòng)汽車的鼻祖，在近十年電動(dòng)汽車的發(fā)展，也親自參與和看到了整個(gè)電池系統(tǒng)的進(jìn)化，從使用上的進(jìn)化過程。
這是20年前我們在汽車公司做的這個(gè)工作，當(dāng)時(shí)為什么要做這個(gè)工作？我雖然是念了博士，但不是化學(xué)的博士，完全是電子工程系的博士，要使用這個(gè)電池就很沮喪，不知道怎么去用，也不知道怎么描述這個(gè)電池。但是在實(shí)際的工作里面，我們需要把這個(gè)電池的特性最優(yōu)的發(fā)揮出來，要知道電池的狀態(tài)，要保證電池的安全，還要良好的控制這個(gè)電池。當(dāng)然，這個(gè)電池的化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)非常重要，這兩天半所聽到的這些事情。
同時(shí)，電池的使用和管理也是同樣重要的，作為一個(gè)電池工程師，作為一個(gè)應(yīng)用工程師，出了這么一個(gè)電池的符號，還要知道電池其他方面的東西。為了更好的了解電器的特性，需要給它建一個(gè)模型。在我們工作之前有兩種建模的方法，一種是FEA或FDA的方法來建模，好處是能反映實(shí)際應(yīng)用的材料和電池的結(jié)構(gòu)，也是基于化學(xué)和物理的。不好的地方，能建模的人都是化學(xué)系的博士，碩士可能都干不了，化學(xué)系以外的人更沒法干這個(gè)事。
第二，得了解電池的結(jié)構(gòu)和用化學(xué)的物質(zhì)，用電池的人怎么有這個(gè)知識呢？根本就沒有這個(gè)知識。這個(gè)方法所用到的分析方法跟電子工程所用到的方法是完全不一樣的，最后就算做出這個(gè)模型，都要用主機(jī)來計(jì)算，根本無法通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。
對于大多數(shù)人，都是用經(jīng)驗(yàn)公式的方法，進(jìn)去多少電，出來多少電，做很多方面的修整。優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)施，大家可以抓住一根稻草做這件事情。缺陷是需要把各種各樣的情況都考慮進(jìn)去，不是件很容易的事情，知其然而不知其所以然，知道這種現(xiàn)象，但是不知道為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
于是用一種新的方法，新的期望是希望模型是準(zhǔn)確的，而且是有效的，就遵循第一原則，特斯拉經(jīng)常提的遵循第一原則，建模的方法很早就使用這種方法。這個(gè)模型一定要對電池工程是有用的。
第三，電池的使用者自己去建模，最后也容易實(shí)施。我們采用混合的建模方面，基于化學(xué)物理的行為建模，把這個(gè)模型全部用等效的電子線路的方法表現(xiàn)出來，有參數(shù)識別的方法，可以驗(yàn)證這個(gè)模型的有效性，把這個(gè)模型應(yīng)用到實(shí)際的過程中去。為了建模，我們看一下電池，在還沒有通負(fù)載的時(shí)候，我們首先要知道電壓是怎么建立起來的，正極是3.7伏，負(fù)極是3.7伏，有的是4.9伏，這個(gè)電壓是怎么建立起來的，作為工程的人來說很難理解，里面用到的概念也叫熱力學(xué)，但這種熱力學(xué)跟我們搞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)是不同的概念。追蹤到最根本的問題上，最后還是一個(gè)概念，要知道這個(gè)電壓怎么建立起來的，在極性上的電壓。這個(gè)電壓建立起來以后是以什么形成存在的，電壓完全分布在幾個(gè)原子級的截面上，中間基本上是平的，沒有壓差的，所有的壓差都在這兩個(gè)之間，超級電容都是這種概念做起來的，這是一個(gè)非常重要的概念，需要理解的。
當(dāng)有電流通過負(fù)載的時(shí)候，我們作為用戶，作為電子工程師需要了解什么東西。當(dāng)有電流通過以后就會(huì)有一個(gè)壓降，這個(gè)壓降實(shí)際上是化學(xué)反應(yīng)所付出的代價(jià)，在電化學(xué)的領(lǐng)域，叫極化，對于工程學(xué)的來說就是壓降，電流和電壓的關(guān)系。大家知道電子是從負(fù)極到正極，這里頭的離子是通過擴(kuò)散的過程，并不是一個(gè)電子無限快的過程，相對來說是一個(gè)比較慢的過程。在這個(gè)過程里面，一個(gè)是它的速度不是無限快；第二它也產(chǎn)生很大的壓降，在里面加擴(kuò)散極化的概念。
各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的歐姆電阻，我們認(rèn)為這個(gè)現(xiàn)象在電池里面是最主要的現(xiàn)象，只能把這些現(xiàn)象建立到我們的模型里面去，所以我們建立了這樣一個(gè)模型。如果是搞電子工程系的人看了肯定是高興的，這個(gè)東西就是一個(gè)電池，這個(gè)東西怎么成為一個(gè)電池了？起碼特性上是完全代表一個(gè)電池。首先，因?yàn)殡娀瘜W(xué)是從化學(xué)轉(zhuǎn)換成電能的裝置，所以我們需要兩端口轉(zhuǎn)換的機(jī)制，在轉(zhuǎn)換機(jī)制的左邊是化學(xué)的部分，這個(gè)部分的公式是代表擴(kuò)散的過程，怎么去表示一個(gè)擴(kuò)散的過程。
有了電流以后，電流極化。由于在極板上的濃度所表現(xiàn)的電壓降，這是一般的電阻（PPT），電容就是兩個(gè)極板之間能存在的所有的電容，化學(xué)的邊和電的這一邊。每一個(gè)主要的關(guān)系，在電化學(xué)的科學(xué)家里面都定義出來一個(gè)非常準(zhǔn)確，非常適用的到底，跟歐姆定理一樣，只是學(xué)電子工程的不太了解。從化學(xué)這一端到電這一端用內(nèi)斯特，上面是太傅，上面有小孔、細(xì)微孔，可以用等效模型表現(xiàn)出來。
把這些元件放到模型里面，下一步的工作是要把里面的參數(shù)識別出來。對于一個(gè)電池的使用者來說，唯一有的數(shù)據(jù)就是在不同的放電的倍率，其他的都沒有，這些信息一般可以從電池廠要到。把這些信息參數(shù)識別出來，把仿真的結(jié)果和實(shí)際的結(jié)果進(jìn)行比較，我們當(dāng)時(shí)比較了很多電池，這是20年以前的工作，堿性電池，鎳格電池，按照這樣的模型建出來仿真的結(jié)果非常好。大家可能會(huì)問，因?yàn)榫陀眠@個(gè)數(shù)據(jù)，所以跟建模型產(chǎn)生的預(yù)測數(shù)據(jù)一樣。對于新的情況，在不同的應(yīng)用情況下能不能預(yù)估出同樣的。所以，我們做了很多模型的驗(yàn)證，看這個(gè)模型在不同的情況下能不能預(yù)估出來反映的結(jié)果。我們做了單體的驗(yàn)證，做了非常多的驗(yàn)證。
我們當(dāng)時(shí)以為能建立起來這個(gè)模型，基礎(chǔ)的試了兩下看來還是可以用。下面看看這些模型怎么在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用，第一個(gè)應(yīng)用，把電池里面存儲(chǔ)的能量，多大的能量能用得出來，能趨勢汽車輪子走路。如果是橫流的輸出，假如說能放出來50瓦電，爭取最大化的把電池的能量使用出來，實(shí)際上這個(gè)工作是控制電源和負(fù)載之間的阻抗，把最大的能量放出來。
有了電子線路以后，學(xué)控制的人都知道，就可以做很多分析，做小信號分析，大信號分析，當(dāng)我們做大信號分析的時(shí)候，主要是看直流的，這個(gè)時(shí)候我們可以分析在什么條件下可以得到最大的功率輸出。我們當(dāng)時(shí)在做燃料電池的時(shí)候，因?yàn)槲覀儾皇怯眉儦錃猓烟烊粴廪D(zhuǎn)換成氫氣，氫氣再去驅(qū)動(dòng)燃油電池，氫氣的濃度和流量都不確定的，在不同的流量和不同的濃度情況下要得到最大的能量輸出，怎么辦到就跟太陽一樣，早上和晚上的位置不一樣，這就可以通過模型來做。
有了模型就可以做很多事情，突然加速，突然減速，抖動(dòng)多快，可以進(jìn)行頻率分析。非常重要的是估算SOC里面到底有東西，如果用函數(shù)含對的方法來做，狀態(tài)觀測器。基本上有一個(gè)實(shí)際的電池在工作，還有一個(gè)模型也同時(shí)在工作，輸入是一樣的，根據(jù)輸出比較，再反饋回來不斷校正這個(gè)模型，最后得到真實(shí)的電池里面還有多少能量存在里面。剛開始估算是不正確的，但實(shí)際上很快估的數(shù)跟真實(shí)的概念是一樣的。
想起以前到農(nóng)村勞動(dòng)秤肥豬的重量，這是很難稱的，農(nóng)民就很有辦法，拿一個(gè)尺子把腰圍一量，腰圍的直徑，基本上就知道豬的重量，拿可以看到的信號，如果這個(gè)信號理論上跟里面看不到的信號有一定的關(guān)聯(lián)度，一定可以把里面看不見的數(shù)值估算出來。就是這么一個(gè)概念。
Charging Operation，充電什么時(shí)候結(jié)束，以前充錢在這個(gè)模型就一直上去了，但是在鎳格，充到一定程度又掉下來了，這到底是怎么回事？把這個(gè)模型加進(jìn)去也可以估算，在鋰電池上也有作用，尤其是在快充方面起到很大的作用。
還有一個(gè)就是Small Signal Model，一個(gè)電池一般不說交流阻抗，但實(shí)際上電池有一個(gè)交流阻抗，初始有交流阻抗，使用一段時(shí)間以后有新的交流阻抗，這兩個(gè)變化代表電池的衰減，以這種方法做電池的健康狀態(tài)評估估算。
用大的可以最大限度的把能量和功率使用出來，小信號分析可以使用它的動(dòng)態(tài)和控制，（PPT）這些都可以通過模型來解決這個(gè)問題。還有一些模型解決不了的問題，還有均衡的問題，這不是用一種分析的方法，用工程的方法，強(qiáng)迫它均衡就可以了，就不是一種分析的方法來解決的。另外，電池的熱能的管理，這也是用一種工程的方法，而不是用分析的方法。電池壞了以后，電壓往下降，趕緊關(guān)掉。在這里面做了很多分析，中間軟包電池連接線怎么被燒斷了，像保險(xiǎn)絲一樣，所以我們采用工程的方法來解決這個(gè)問題。
在硬件上實(shí)現(xiàn)比較直接，軟件上，因?yàn)楣芾淼臇|西太多了，所以我們推薦考慮使用商業(yè)化的開發(fā)時(shí)間快一些。我們認(rèn)為BMS的趨勢，可以把溫度產(chǎn)生多少熱建立在這個(gè)模型里面去，根據(jù)我說的所有那些統(tǒng)治的各個(gè)元素的關(guān)系，數(shù)學(xué)的關(guān)系，都有溫度的特性在里面。現(xiàn)在我們這個(gè)模型還是基于電池制造廠商給我們的數(shù)據(jù)建的模型，而且做了不少的嘗試，在電池的實(shí)際使用過程中對電池理解的更多，更好，使用人工智能的方法。
如果要把自己的算法固化在一個(gè)芯片里面去也是一個(gè)趨勢。電池管理系統(tǒng)做成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電池管理系統(tǒng)，模塊化的，任何一個(gè)人使用電池都可以用這個(gè)系統(tǒng)，像window系統(tǒng)一樣受益于整個(gè)用戶群。管理爭取還是要做到單個(gè)電芯的管理，不要管一串，一串16個(gè)或24個(gè)，都無法區(qū)分，要換的話全部要換，每一個(gè)都很貴，所以還是要單個(gè)管理。最后，每一個(gè)單獨(dú)的電芯都不一樣，不能強(qiáng)迫它一樣，不能強(qiáng)迫電壓和放電能力都一樣，而是要想一種方法，盡管它有自己的缺陷，有自己的不足或不一樣地方，還是要把它最大的能力發(fā)揮出來。16匹馬拉一個(gè)車，不能把小馬都?xì)⒘耍灰阉膭艃喊l(fā)揮出來就行了。
今天要跟大家分享的報(bào)告就這些。謝謝大家！
提問：我想請教一下你剛才提出來的模型適用于哪種電池？
Xia Lei：不論用什么樣的電池，電池的化學(xué)特性，LTO、三元，磷酸鐵鋰，任何一個(gè)電池都不會(huì)超過模型里面包括的這幾個(gè)最重要的電化學(xué)的現(xiàn)象，對電化學(xué)沒有要求，無論是做成圓的還是方的，還是軟包的，也不會(huì)受使用這個(gè)模型的限制。現(xiàn)在跟國內(nèi)很大也很著名的電池廠合作，做出這個(gè)模式，跟他們的客戶去談，他們認(rèn)為電池是我們做的，實(shí)際上不是我們做的，我們只是拿這個(gè)電池建模，我們對電池的預(yù)估比現(xiàn)有的方法更好一些，就這個(gè)模型等于是沒有任何限制，沒有應(yīng)用的限制。
提問：目前這種模型的方式有沒有用在SOC的預(yù)估上？實(shí)際應(yīng)用。
Xia Lei：1995年開始的工作，最早的應(yīng)用是國家宇航局，那個(gè)時(shí)候國家宇航局低空的衛(wèi)星和航天飛機(jī)的估算基本上都是用這個(gè)方法。之后到飛機(jī)公司去，飛機(jī)公司的電池管理系統(tǒng)實(shí)際上簡單，但還是用了一些方法，最長的時(shí)間是在汽車?yán)锩妫谄嚬纠锩妫ìF(xiàn)在的特斯拉和通用汽車體系的電池管理系統(tǒng)都是以這個(gè)模型為基礎(chǔ)的。所以說使用實(shí)際應(yīng)用的案例和情況，我們還是比較有信心的。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
相關(guān)閱讀：
驗(yàn)證碼：
