自放电技术新突破-李革臣

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,新型二次电池及相关能源材料的基础研究,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,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,引 言,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。,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。,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。,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：,目前,所有测量仪器仪表、已知的电池测量方法都无法深入到电池内部进行测试。,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,I,3,(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。,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,I,3,(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：,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,寻找减小自放电的途径。,提高自放电稳定性。,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！,得出这族电池自放电曲线至少需一年半时间！,怎么办？,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,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。,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,：,Rr,Cd Rr,2,Z,=,Rs,+, j,1 +,2,Cd,2,Rr,2,1 +,2,Cd,2,Rr,2,Rr :,电化学反应电阻,也称法拉第阻抗,非线性。,Cd :,电池极板表面双层电容。,Rs :,欧姆内阻,电极极耳及各种物料电阻。, :,测试频率。,Z :,电池的交流复阻抗。,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 。,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,R,0,：电池自放电电阻,14,微分方程：,i(t),为输入，,u,（,t,）为输出,传递函数：,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,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.,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,。,Iw,U1,U2,E,Iw,Iw,渐进状态观测器用于电池内部参数测试,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。,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。,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(,),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, 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,Iw,U1,U2,E,被测量电池的等效电路 渐进状态观测器,等效电路的微分方程描述：,自放电快速测量方法步骤（七步法）,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。,将电池用,等效电路,表示，等效电路元件参数是；,Rs,、,Rr,、,Cd,、,R0,。,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。,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,。,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,。,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。,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。,Iw,U1,U2,E,ZM-6082,电池自放电性能测量装置,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,ZEEMOO,自放电新原理技术应用举例,温度及荷电态对自放电的影响,温 度（,）,0,10,20,30,40,50,自放电,（,%28D,）,soc 100%,0.534,1.031,2.045,2.835,3.723,5.238,自放电,（,%28D,）,soc 50%,0.312,0.746,1.539,2.246,2.837,4.352,自放电,（,%28D,）,soc 0%,0.163,0.381,0.823,1.046,1.364,1.898,得出这族电池自放电曲线至少需一年半时间！,怎么办？,6,天就解决了,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、振动、过充、过放、短路、冲击及使用循环的影响。,进一步研究与探索,:,“动态自放电”概念的建立, 自放电率不是一个常数，,在电池制造完成之后，还与环境温度、荷电状态、使用循环次数有关。过充、过放、振动、短路等滥用环境也都会影响电池自放电性能。,全面描述电池自放电性能,，找到解决自放电问题的途径，必须根据不同需求，给出电池自放电随温度、荷电态的变化曲线。,对于,单体电池性能测试,，我们要用一族曲线才能对其自放电性能进行全面综合描述，这族曲线称为电池的,“,动态自放电性能曲线”。,对于,电池组合分类技术,，我们把动态自放电性能相对一致的电池组，称为具有,“动态自放电一致性”。,观点敬请各位专家批评指正,为什么子木科技常有技术创新,（,1992 - 2012,）,王纪三教授亲自命名、亲自指导关键技术长达,20,年，哈尔滨理工大学产学研模式，执行国家八五、九五,863,计划，十五、十一五,973,计划的电池检测重大专题。,二十年历程，电池行业化成检测技术龙头企业：三个里程碑；,1993,年自动化：,代表产品：,DK100,电池综合检测系统，其操作模式，如上位机编程表、,LED,指示分类等十余项技术，现在全行业在普遍应用。,2004,年数字化：,代表产品：,ZM500,数字化电池化成分选系统，节能型,50%,，模块化，数字信号传输。本质提高了准确度、可靠性、节能减排。目前全行业正在学习（,侵权,）。,2011,年智能化：,代表产品：,ZM910A,智能动态一致性分类，,ZM900B,智能钝化膜一致性化成，,ZM6082,智能自放电一致性快速测量。满足电动汽车和蓄能电源需求，是计算机与自动控制理论的结合，将引领,电池测试技术,从,“电压表电流表时代”,、走向“,智能化新时代”。,敬请各位行业专家、企业家继续关注子木科技的动向。,25,6,、结 论,1,、 本文旨在揭示自放电的重要性，并针对自放电目前无测试手段的尴尬局面，介绍了自放电快速测量方法，使,28,天测试周期实现了,“夕发朝至”,，做到了,“白天做方案，晚上做实验,”一天就出改进结果。,2,、 对单体电池：,做到了,“单因素试验,”,。可以分别从与材料，工艺，设备、操作及应用环境的角度。合理选择正、负极材料，隔膜，电解液。指导生产工艺，和浆，涂布，卷绕，注液，化成，存储。评估 温度，荷电态，充放电倍率，振动，过充、过放、短路、冲击、对自放电的影响。迅速提高单体电池的自放电性能。,3,、 对组合电池：,创造了,“动态自放电一致性分选”方法。,从原理上延长了动力电池组的使用寿命，提供了电池管理系统的设计依据，降低了工作难度。有效提高电池组的使用寿命。,4,、 本发明是在,国家,973,计划支持,下完成的，首席科学家：吴锋教授。,973,课题名称：“二次电池检测新原理与节能技术”课题编号：,2009CB220107,。已经申请并受理为,国家发明专利,。,5,、 自放电快速测量技术的,原理性新突破，,将成为提高电池组性能的有效、实用、给力的工具。将会对锂（镍氢）动力电池行业、电动汽车、储能电源行业起到一定的推动作用，,26,Thank you,谢 谢,探索,