自放电技术新突破-李革臣

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• 根据现代控制理论,当一个对象内部的状态变量不能直接测量,可根据输入输出 数据采用状态观测器理论对其进行状态重构,达到对其内部参数进行测量的目的。

采用状态重构法,能达到测量电池内部参数的目的,例如:电池的正、负极板电
压,隔膜或电解液引起的内阻,各种动态的扩散阻抗、电池的自放电电阻等。

状态观测器在现代控制理论中已是相当成熟的理论,已广泛用于航空航天卫星姿态 控制中,这一技术用于电池内部参数测试,将对电池测量技术提供一种给力的工具。
电动汽车动力电池系统关键技术研究报告(三)
二次电池自放电测量新原理技术 研究探索与应用展望
(国家973计划研究成果)
哈尔滨理工大学 子木科技 赛恩斯能源科技有限公司 李革臣
2011.12.17
电动汽车动力电池系统关键技术研究报告汇总
总 目 录
一、安全性理论及应用研究 二、动态充放电一致性关键技术 三、动态自放电一致性关键技术(本篇) 四、电池管理系统关键技术 五、组合方式与系统关键技术 六、广义健康度SOH新概念及其应用 七、工况运行寿命保证 八、综合成本与价格分析
自放电(%28D) soc 100% 自放电(%28D) soc 50% 自放电(%28D) soc 0%
2.835 3.723 5.238 2.246 2.837 4.352 1.046 1.364 1.898
5、自放电测量新原理技术应用与展望
1、揭示电池自放电规律,与材料,工艺,设备、操作及应用 环境的相关性。 2、指导科研设计,合理选择正、负极材料,隔膜,电解液。 3、指导生产工艺,和浆,涂布,碾压,分切,卷绕,注液, 点焊,化成,存储。 4、应用于电池组合技术,进行电池自放电动态一致性分选, 增加电池寿命。 5、设计电池管理系统的依据,指导BMS设计。 6、评估使用环境影响: 容量、 温度,荷电态,充放电倍率

目前的计算机技术、数字化技术、现代控制理论的发展,为电池测试技术提供了
飞跃的基础,测试自放电只是一个小的尝试。这一新的测试方法有可能开辟一条崭新
的电池测试技术路线。可以快速准确测出以前不敢想象的电池内部参数。敬请关注!
状态观测器输入信号Iw采用M序列
M序列又称离散伪随机序列(伪随机信号) M序列的特点: (1)数字特征与白噪声相似; (2)是确定性序列; (3)工程上可以方便地重复产生。
电电阻R0 即为被测量电池的自放电电阻。
• • 辨识输入信号Iw采用伪随机序列,其数字特征与白噪声相似,可以在很宽的 频谱范围内辨识系统的参数。 该方法称“系统辨识法”也可称为“状态重构法”,可以在数小时内完成电 池的自放电性能测试。在自动控制技术中经常用于无法直接测量的系统参数。
系统辩识理论及应用
2
三、动态自放电一致性关键技术
1、问题的提出 2、自放电基本概念 3、自放电测量技术现状 4、自放电测量新原理研究探索 5、自放电测量新原理技术应用与展望 6、结论 自放电:一个非常熟悉、又非常陌生的问题


电动汽车动力电池性能的差异性,是影响电池组使用寿命的重要因素。由于动力 电池组是串联充放电的,电流相同。假如单体容量动态一致性已经做到很好(参见研 究报告二),电池组的不均匀性就只有是自放电差异性引起的。因此,电池的自放电 测试技术的突破,对单体电池、电池组、电动汽车的发展都将起到重要的作用。
• 定义:在系统输入和输出数据基础上,从给定的模型类中,确 定一个与所测量系统等价的数学模型,求取系统数学模型的过 程称系统辨识 。 • 系统辨识分为模型结构辨识和模型参数估计。 • 在系统辩识理论中,可以把被辨识对象看成是一个“黑箱” 、 “灰箱”或“白箱”。
• 电池由于结构是已知的,可以看作是一个“白箱”。
• 输入一个或一组激励信号,可以得到一个或一组响应输出, 适当地选取合适的输入信号,可以得出电池的等效电路和数学 模型参数。
数学模型的基本概念
• 定义:数学模型是针对参照某种事物系统的特征或数量依存关系,采用 数学语言,表述出的一种数学结构。 • 数学模型准确地代表了系统的最本质特性。 • 数学模型分为时域和频域,可用微分方程或传递函数表示。 • 建模方法:阶跃响应法,脉冲响应法,状态观测器法(时域),多点频 谱法(频域)。 • 采用数学模型方法,测试数据的数学处理变得非常简单,现代控制理论 的许多成熟的技术,都能应用于电池科研和生产过程控制,等效电路、 最优估计、卡尔曼滤波、模糊控制、系统辨识、状态观测器、自适应控 制等新技术,可以解决电池行业许多技术难题。 • 技术难点:电池数学模型的非线性,时变性,环境因素。
5、为了测自放电,标准规定需常温搁置28天、高温搁置7天,能耗、设施 费用、流动资金占用与安全隐患。原因是自放电。 6、电池组寿命主要因素,串联充放电、造成单体差别,原因是自放电。 7、电池管理系统设计,各种均衡方法的采用,原因都是自放电。
2、自放电基本概念
2.1 定义: 电池自放电率一般用荷电保持能力描述,它是指在开路状
常温测试 28 天 :时间、占地、资金、工时 高温测试 7 天 :时间、占地、资金、工时、能耗、安全
问题如何解决 路在何方?
自放电要从原材料、制造工艺、生产设备、操作方法、使用环境、五个方面解决
①寻找减小自放电的途径。 ②提高自放电稳定性。
得出这族电池自 放电曲线至少需一年 半时间!怎么办?
每做一项改进自放电的 试验,需28天得出结果,有 类似杂交水稻育种的感觉!
电池行业重大需求:动力电池自放电快速准确测量
1、问题的提出
1、动力电池、储能电池现场运行,安全性和寿命,自放电是关键。 2、锂电池运输需补电30%,造成安全隐患,原因是自放电。 3、保存备用期损坏,变为低电压或零电压,需定期补电,原因是自放电。
4、高温环境应用,自放电大,正反馈,安全隐患,主要原因自放电。
态下,电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。 2.2 制造影响因素:一般而言,电池自放电性能要受电极材料、隔膜、 电解液的性能影响,也与电池制造工艺、生产环境密切相关。 2.3 使用环境影响因素: 对电池自身而言,自放电率不是一个常数,在 电池制成之后,还与环境温度、荷电状态、使用循环次数有关。过充 、过放、振动、短路等滥用环境都会影响电池自放电性能。 2.4 自放电测试技术难点: ❶目前所有测量仪器仪表、已知的电池测
U1
Iw E
U2
被测量电池的等效电路 等效电路的微分方程描述: 渐进状态观测器
☻ ☻ ☻ ☻
一种基于新原理的电池自放电性能快速测量的方法 它可以在数小时内完成电池的自放电性能测试 可以定量计算电池自放电电阻的大小 适用于多种二次电池和一次电池的单体及电池组的自放电性能测量
自放电快速测量方法步骤(七步法)
主要性质:
(1)-1和1出现的次数相等; (2)总游程数位(N+1)/2,且-1和1出现的游程相
等,最多相差1个。(N为序列长度)
M序列中元素一般取为1和-1,也是真正意义上的白噪声,用 其作为输入信号,辨识g(τ )的结果与连续白噪声的是完全一致。因 此,可以在很宽的频谱范围内辨识系统的参数。
系统辨识法实现电池的自放电性能快速测量
锂离子电池的等效电路及数学模型
Rs :欧姆内阻 Cd :电极双电层电容 Rr ;法拉第阻抗 R0 :电池自放电电阻 微分方程:i(t)为输入,u(t)为输出
传递函数:
14
电池等效电路的状态方程
• 根据现代控制理论,在满足小范围线性化的条件下,描述电池 动态过程和量测过程的状态方程和输出方程分别为: x(k+1) = Ax(k) + Bu(k) y(k) = Cx(k) u(k)是电池电流, y(k)是电池电压,
①将电池作为系统辨识的对象,电池充放电流 Iw 作为输入信号,电池电压U1作 为输出信号。 ②将电池用等效电路表示,等效电路元件参数是;Rs、 Rr、Cd、R0。 ③将等效电路用一个微分方程描述,Rs、Rr、Cd、R0是微分方程的系数。 ④采用系统仿真技术,以Iw为输入信号,求解微分方程,微分方程的解就是等效 电路输出信号U2。 ⑤将等效电路的输出信号U2与被测量电池的电压U1进行比较,得出误差 E。 ⑥根据误差 E 调整等效电路的参数 Rs、Rr、Cd、R0,使E逐渐减小。 这是一个以误差 E 为目标函数,以 Rs、Rr、Cd、R0为自变量的最小值优 化问题,可采用梯度法、牛顿法等。 ⑦反复进行比较和调整,使 E 逐渐减小, 当 E 趋于零时,U2 趋于U1,此时; 仿真系统中的参数R0即为被测量电 池的自放电电阻。 要耗时十余小时,进行数以十万计的计算 。
量方法都无法深入到电池内部进行测试。❷涉及到微瓦级、分辨率已
达纳瓦级精密测量,目前常规的测试方法、测试水平难以胜任。
3、自放电测量技术现状
国际标准、国家标准及行业标准:
常温荷电保持能力
蓄电池按3.2.4充电后,在20℃±5℃条件下,以开路状态贮存28天,开路贮存期间每天测量 蓄电池电压,然后在同一温度下以I3(A)恒流放电至终止电压3.0V或企业技术条件中规定的放电终 止电压。计算放电容量(以Ah计)。荷电保持能力可表示达为额定容量的百分数。
电池的等效电路概念
• 在满足电池阻纳因果性,线性,稳定性的条件下,可以测出一个 电极系统的电化学阻抗谱,如果能够另外用一些电学元件来构成一个 电路,使得这个电路的阻纳频谱与电极系统的电化学阻抗谱相同,就
称这一电路为该电极系统的等效电路。
称用来构成等效电路的元件为等效元件。等效元件有以下四种:
等效电阻R,等效电容C,等效电感L,常相位角元件Q 。
x(k)是电池内部状态,根据需要可以有多种选取方法。
渐近状态观测器的状态重构
结构上是一种闭环状态观测器,在这种观测器中,被观测系统的输出变量U1
提供对状态观测器系统输出U2的校正作用,使U2随时间无限接近U1.
Iw Iw E
U1
Iw
U2
电池内部参数的状态重构,使R0无限接近电池的自放电电阻
渐进状态观测器用于电池内部参数测试
电池的数学模型
描述电池电极动力学过程参数的方程称为电池的数学模型 , 对一个对象,数学模型不是唯一的,例如,电池的阻抗模型:
Z
ω Cd Rr2 = Rs+ ──────── - j ───────── 1 + ω 2 Cd2 Rr2 1 + ω 2 Cd2 Rr2
Rr Rr : 电化学反应电阻, 也称法拉第阻抗, 非线性。 Cd Rs ω Z : : : : 电池极板表面双层电容。 欧姆内阻,电极极耳及各种物料电阻。 测试频率。 电池的交流复阻抗。
目前国际通用的测量方法是:将电池充满电后,在常温状态下搁置28天或在高温 状态下搁置7天,然后通过测量电池的剩余电量的方法来评估电池自放电的大小。
这种传统自放电的测量方法需要很长的测试时间、影响因素较大,准确性十分有
限,并且占用大量的流动资金和大面积生产场地,造成惊人的浪费,甚至还会涉及到 安全性,事实上已发生多起火灾事故,严重影响电池企业和科研单位的经济效益。
U1 Iw E
U2
ZM-6082 电池自放电性能测量装置
ZEEMOO
测量通道 : 8路 温度测量 : 2路 测量精度 : 1% 测量时间:12小时
子木科技
温度及荷电态对自放电的影响
得出这族电池自放电 曲线至少需一年半时间!
自放电新原理技术应用举例
怎么办?
6天就解决了
温 度(℃) 0 0.534 0.312 0.163 10 1.031 0.746 0.381 20 2.045 1.539 0.823 30 40 50
ห้องสมุดไป่ตู้
我们必须找到一种自放电的快速准确测量方法!
4、自放电测量新原理研究探索
• 根据系统辨识理论,被测量电池可以被看做一个“黑箱”,分析其输入信号
和输出信号,可以对被测量电池进行结构辨识和参数估计,得到电池的内部参数 ,如内阻、自放电电阻。 • 将被测量电池B用一个等效电路(参数值Rs、Rr、Cd、R0)表示并采用计算 机进行仿真。同时对被测量电池B及其等效电路输入相同的充放电电流Iw,分别 得到输出信号U1和U2,根据U1和U2的误差E调整等效电路的参数值,当误差E趋 于零时,等效电路的参数值与被测量电池B的参数值也达到一致,等效电路的自放
高温荷电保持能力
蓄电池按3.2.4充电后,在55℃±2℃条件下,以开路状态贮存7天,开路贮存期间每天测量 蓄电池电压,然后在20℃±5℃下搁置5h后,以I3(A)恒流放电至终止电压3.0V或企业技术条件中 规定的放电终止电压。计算放电容量(以Ah计)。荷电保持能力可表示达为额定容量的百分数。
这是已经习惯的、已被接受的,惊人的浪费:
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