自放電技術(shù)新突破李革臣

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告（三）

二次電池自放電測(cè)量新原理技術(shù)

研究探索與應(yīng)用展望

（國(guó)家973計(jì)劃研究成果）

哈爾濱理工大學(xué)子木科技

賽恩斯能源科技有限公司

李革臣

2011.12.17自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告匯總

總目錄

一、安全性理論及應(yīng)用研究

二、動(dòng)態(tài)充放電一致性關(guān)鍵技術(shù)

三、動(dòng)態(tài)自放電一致性關(guān)鍵技術(shù)（本篇）

四、電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

五、組合方式與系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

六、廣義健康度SOH新概念及其應(yīng)用

七、工況運(yùn)行壽命保證

八、綜合成本與價(jià)格分析2自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!三、動(dòng)態(tài)自放電一致性關(guān)鍵技術(shù)1、問題的提出2、自放電基本概念3、自放電測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀4、自放電測(cè)量新原理研究探索5、自放電測(cè)量新原理技術(shù)應(yīng)用與展望6、結(jié)論自放電：一個(gè)非常熟悉、又非常陌生的問題自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!引言電動(dòng)汽車動(dòng)力電池性能的差異性，是影響電池組使用壽命的重要因素。由于動(dòng)力電池組是串聯(lián)充放電的，電流相同。假如單體容量動(dòng)態(tài)一致性已經(jīng)做到很好（參見研究報(bào)告二），電池組的不均勻性就只有是自放電差異性引起的。因此，電池的自放電測(cè)試技術(shù)的突破，對(duì)單體電池、電池組、電動(dòng)汽車的發(fā)展都將起到重要的作用。

目前國(guó)際通用的測(cè)量方法是：將電池充滿電后，在常溫狀態(tài)下擱置28天或在高溫狀態(tài)下擱置7天，然后通過測(cè)量電池的剩余電量的方法來評(píng)估電池自放電的大小。

這種傳統(tǒng)自放電的測(cè)量方法需要很長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間、影響因素較大，準(zhǔn)確性十分有限，并且占用大量的流動(dòng)資金和大面積生產(chǎn)場(chǎng)地，造成驚人的浪費(fèi)，甚至還會(huì)涉及到安全性，事實(shí)上已發(fā)生多起火災(zāi)事故，嚴(yán)重影響電池企業(yè)和科研單位的經(jīng)濟(jì)效益。

電池行業(yè)重大需求：動(dòng)力電池自放電快速準(zhǔn)確測(cè)量自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!2、自放電基本概念2.1定義：電池自放電率一般用荷電保持能力描述，它是指在開路狀態(tài)下，電池儲(chǔ)存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力。2.2制造影響因素：一般而言，電池自放電性能要受電極材料、隔膜、電解液的性能影響，也與電池制造工藝、生產(chǎn)環(huán)境密切相關(guān)。2.3使用環(huán)境影響因素：對(duì)電池自身而言，自放電率不是一個(gè)常數(shù)，在電池制成之后，還與環(huán)境溫度、荷電狀態(tài)、使用循環(huán)次數(shù)有關(guān)。過充、過放、振動(dòng)、短路等濫用環(huán)境都會(huì)影響電池自放電性能。2.4自放電測(cè)試技術(shù)難點(diǎn)：?目前所有測(cè)量?jī)x器儀表、已知的電池測(cè)量方法都無法深入到電池內(nèi)部進(jìn)行測(cè)試。?涉及到微瓦級(jí)、分辨率已達(dá)納瓦級(jí)精密測(cè)量，目前常規(guī)的測(cè)試方法、測(cè)試水平難以勝任。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!問題如何解決路在何方？自放電要從原材料、制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備、操作方法、使用環(huán)境、五個(gè)方面解決①尋找減小自放電的途徑。②提高自放電穩(wěn)定性。每做一項(xiàng)改進(jìn)自放電的試驗(yàn)，需28天得出結(jié)果，有類似雜交水稻育種的感覺！得出這族電池自放電曲線至少需一年半時(shí)間！怎么辦？

我們必須找到一種自放電的快速準(zhǔn)確測(cè)量方法！自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

系統(tǒng)辯識(shí)理論及應(yīng)用定義：在系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，從給定的模型類中，確定一個(gè)與所測(cè)量系統(tǒng)等價(jià)的數(shù)學(xué)模型，求取系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程稱系統(tǒng)辨識(shí)。系統(tǒng)辨識(shí)分為模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)和模型參數(shù)估計(jì)。在系統(tǒng)辯識(shí)理論中，可以把被辨識(shí)對(duì)象看成是一個(gè)“黑箱”、“灰箱”或“白箱”。電池由于結(jié)構(gòu)是已知的，可以看作是一個(gè)“白箱”。

輸入一個(gè)或一組激勵(lì)信號(hào)，可以得到一個(gè)或一組響應(yīng)輸出，適當(dāng)?shù)剡x取合適的輸入信號(hào)，可以得出電池的等效電路和數(shù)學(xué)模型參數(shù)。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!

電池的數(shù)學(xué)模型描述電池電極動(dòng)力學(xué)過程參數(shù)的方程稱為電池的數(shù)學(xué)模型，對(duì)一個(gè)對(duì)象，數(shù)學(xué)模型不是唯一的，例如，電池的阻抗模型：

Rr

ωCdRr2

Z=Rs+────────－j─────────1+ω2Cd2Rr21+ω2Cd2Rr2

Rr:電化學(xué)反應(yīng)電阻,也稱法拉第阻抗,非線性。Cd:電池極板表面雙層電容。Rs:歐姆內(nèi)阻,電極極耳及各種物料電阻。ω:測(cè)試頻率。Z:電池的交流復(fù)阻抗。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!鋰離子電池的等效電路及數(shù)學(xué)模型Rs：歐姆內(nèi)阻Cd

：電極雙電層電容Rr；法拉第阻抗R0

：電池自放電電阻9微分方程：i(t)為輸入，u（t）為輸出傳遞函數(shù)：自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

漸近狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)重構(gòu)

結(jié)構(gòu)上是一種閉環(huán)狀態(tài)觀測(cè)器，在這種觀測(cè)器中,被觀測(cè)系統(tǒng)的輸出變量U1提供對(duì)狀態(tài)觀測(cè)器系統(tǒng)輸出U2的校正作用，使U2隨時(shí)間無限接近U1.

電池內(nèi)部參數(shù)的狀態(tài)重構(gòu)，使R0無限接近電池的自放電電阻。IwU1U2EIwIw自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!

狀態(tài)觀測(cè)器輸入信號(hào)Iw采用M序列M序列又稱離散偽隨機(jī)序列（偽隨機(jī)信號(hào)）M序列的特點(diǎn)：

(1)數(shù)字特征與白噪聲相似；

(2)是確定性序列；

(3)工程上可以方便地重復(fù)產(chǎn)生。主要性質(zhì):

(1)-1和1出現(xiàn)的次數(shù)相等；

(2)總游程數(shù)位(N+1)/2,且-1和1出現(xiàn)的游程相等，最多相差1個(gè)。(N為序列長(zhǎng)度)M序列中元素一般取為1和-1，也是真正意義上的白噪聲，用其作為輸入信號(hào)，辨識(shí)g(τ)的結(jié)果與連續(xù)白噪聲的是完全一致。因此，可以在很寬的頻譜范圍內(nèi)辨識(shí)系統(tǒng)的參數(shù)。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!自放電快速測(cè)量方法步驟（七步法）①將電池作為系統(tǒng)辨識(shí)的對(duì)象，電池充放電流Iw作為輸入信號(hào)，電池電壓U1作為輸出信號(hào)。②將電池用等效電路表示，等效電路元件參數(shù)是；Rs、Rr、Cd、R0。③將等效電路用一個(gè)微分方程描述，Rs、Rr、Cd、R0是微分方程的系數(shù)。④采用系統(tǒng)仿真技術(shù)，以Iw為輸入信號(hào)，求解微分方程，微分方程的解就是等效電路輸出信號(hào)U2。⑤將等效電路的輸出信號(hào)U2與被測(cè)量電池的電壓U1進(jìn)行比較，得出誤差E。⑥根據(jù)誤差E調(diào)整等效電路的參數(shù)Rs、Rr、Cd、R0，使E逐漸減小。這是一個(gè)以誤差E為目標(biāo)函數(shù)，以Rs、Rr、Cd、R0為自變量的最小值優(yōu)化問題，可采用梯度法、牛頓法等。⑦反復(fù)進(jìn)行比較和調(diào)整，使E逐漸減小，當(dāng)E趨于零時(shí)，U2趨于U1，此時(shí)；

仿真系統(tǒng)中的參數(shù)R0即為被測(cè)量電池的自放電電阻。

要耗時(shí)十余小時(shí)，進(jìn)行數(shù)以十萬計(jì)的計(jì)算。IwU1U2E自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!自放電新原理技術(shù)應(yīng)用舉例

溫度及荷電態(tài)對(duì)自放電的影響溫度（℃）

01020304050自放電（%28D）soc100%0.5341.0312.0452.8353.7235.238自放電（%28D）soc50%0.3120.7461.5392.2462.8374.352自放電（%28D）soc0%0.1630.3810.8231.0461.3641.898得出這族電池自放電曲線至少需一年半時(shí)間！怎么辦？6天就解決了自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!進(jìn)一步研究與探索:“動(dòng)態(tài)自放電”概念的建立▲自放電率不是一個(gè)常數(shù)，在電池制造完成之后，還與環(huán)境溫度、荷電狀態(tài)、使用循環(huán)次數(shù)有關(guān)。過充、過放、振動(dòng)、短路等濫用環(huán)境也都會(huì)影響電池自放電性能。

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全面描述電池自放電性能，找到解決自放電問題的途徑，必須根據(jù)不同需求，給出電池自放電隨溫度、荷電態(tài)的變化曲線。

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對(duì)于單體電池性能測(cè)試，我們要用一族曲線才能對(duì)其自放電性能進(jìn)行全面綜合描述，這族曲線稱為電池的“動(dòng)態(tài)自放電性能曲線”。

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對(duì)于電池組合分類技術(shù)，我們把動(dòng)態(tài)自放電性能相對(duì)一致的電池組，稱為具有“動(dòng)態(tài)自放電一致性”。觀點(diǎn)敬請(qǐng)各位專家批評(píng)指正自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!6、結(jié)論1、本文旨在揭示自放電的重要性，并針對(duì)自放電目前無測(cè)試手段的尷尬局面，介紹了自放電快速測(cè)量方法，使28天測(cè)試周期實(shí)現(xiàn)了“夕發(fā)朝至”，做到了“白天做方案，晚上做實(shí)驗(yàn)”一天就出改進(jìn)結(jié)果。2、對(duì)單體電池：做到了“單因素試驗(yàn)”?？梢苑謩e從與材料，工藝，設(shè)備、操作及應(yīng)用環(huán)境的角度。合理選擇正、負(fù)極材料，隔膜，電解液。指導(dǎo)生產(chǎn)工藝，和漿，涂布，卷繞，注液，化成，存儲(chǔ)。評(píng)估溫度，荷電態(tài)，充放電倍率，振動(dòng)，過充、過放、短路、沖擊、對(duì)自放電的影響。迅速提高單體電池的自放電性能。3、對(duì)組合電池：創(chuàng)造了“動(dòng)態(tài)自放電一致性分選”方法。從原理上延長(zhǎng)了動(dòng)力電池組的使用壽命，提供了電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，降低了工作難度。有效提高電池組的使用壽命。4、本發(fā)明是在國(guó)家973計(jì)劃支持下完成的，首席科學(xué)家：吳鋒教授。973課題名稱：“二次電池檢測(cè)新原理與節(jié)能技術(shù)”課題編號(hào)：2009CB220107。已經(jīng)申請(qǐng)并受理為國(guó)家發(fā)明專利。5、自放電快速測(cè)量技術(shù)的原理性新突破，將成為提高電池組性能的有效、實(shí)用、給力的工具。將會(huì)對(duì)鋰（鎳氫）動(dòng)力電池行業(yè)、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電源行業(yè)起到一定的推動(dòng)作用，15自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!1、問題的提出1、動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，安全性和壽命，自放電是關(guān)鍵。2、鋰電池運(yùn)輸需補(bǔ)電30%，造成安全隱患，原因是自放電。3、保存?zhèn)溆闷趽p壞，變?yōu)榈碗妷夯蛄汶妷?，需定期補(bǔ)電，原因是自放電。4、高溫環(huán)境應(yīng)用，自放電大，正反饋，安全隱患，主要原因自放電。5、為了測(cè)自放電，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需常溫?cái)R置28天、高溫?cái)R置7天，能耗、設(shè)施費(fèi)用、流動(dòng)資金占用與安全隱患。原因是自放電。6、電池組壽命主要因素，串聯(lián)充放電、造成單體差別，原因是自放電。7、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各種均衡方法的采用，原因都是自放電。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!3、自放電測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：常溫荷電保持能力蓄電池按3.2.4充電后，在20℃±5℃條件下，以開路狀態(tài)貯存28天，開路貯存期間每天測(cè)量蓄電池電壓，然后在同一溫度下以I3(A)恒流放電至終止電壓3.0V或企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓。計(jì)算放電容量（以Ah計(jì)）。荷電保持能力可表示達(dá)為額定容量的百分?jǐn)?shù)。高溫荷電保持能力蓄電池按3.2.4充電后，在55℃±2℃條件下，以開路狀態(tài)貯存7天，開路貯存期間每天測(cè)量蓄電池電壓，然后在20℃±5℃下擱置5h后，以I3(A)恒流放電至終止電壓3.0V或企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓。計(jì)算放電容量（以Ah計(jì)）。荷電保持能力可表示達(dá)為額定容量的百分?jǐn)?shù)。這是已經(jīng)習(xí)慣的、已被接受的，驚人的浪費(fèi)：

常溫測(cè)試28天：時(shí)間、占地、資金、工時(shí)

高溫測(cè)試7天：時(shí)間、占地、資金、工時(shí)、能耗、安全自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!4、自放電測(cè)量新原理研究探索根據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)理論，被測(cè)量電池可以被看做一個(gè)“黑箱”，分析其輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，可以對(duì)被測(cè)量電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)，得到電池的內(nèi)部參數(shù)，如內(nèi)阻、自放電電阻。將被測(cè)量電池B用一個(gè)等效電路（參數(shù)值Rs、Rr、Cd、R0）表示并采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。同時(shí)對(duì)被測(cè)量電池B及其等效電路輸入相同的充放電電流Iw，分別得到輸出信號(hào)U1和U2，根據(jù)U1和U2的誤差E調(diào)整等效電路的參數(shù)值，當(dāng)誤差E趨于零時(shí)，等效電路的參數(shù)值與被測(cè)量電池B的參數(shù)值也達(dá)到一致，等效電路的自放電電阻R0即為被測(cè)量電池的自放電電阻。辨識(shí)輸入信號(hào)Iw采用偽隨機(jī)序列，其數(shù)字特征與白噪聲相似，可以在很寬的頻譜范圍內(nèi)辨識(shí)系統(tǒng)的參數(shù)。該方法稱“系統(tǒng)辨識(shí)法”也可稱為“狀態(tài)重構(gòu)法”，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成電池的自放電性能測(cè)試。在自動(dòng)控制技術(shù)中經(jīng)常用于無法直接測(cè)量的系統(tǒng)參數(shù)。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

數(shù)學(xué)模型的基本概念定義：數(shù)學(xué)模型是針對(duì)參照某種事物系統(tǒng)的特征或數(shù)量依存關(guān)系，采用數(shù)學(xué)語言，表述出的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確地代表了系統(tǒng)的最本質(zhì)特性。數(shù)學(xué)模型分為時(shí)域和頻域，可用微分方程或傳遞函數(shù)表示。建模方法：階躍響應(yīng)法，脈沖響應(yīng)法，狀態(tài)觀測(cè)器法（時(shí)域），多點(diǎn)頻譜法（頻域）。采用數(shù)學(xué)模型方法，測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)處理變得非常簡(jiǎn)單，現(xiàn)代控制理論的許多成熟的技術(shù)，都能應(yīng)用于電池科研和生產(chǎn)過程控制，等效電路、最優(yōu)估計(jì)、卡爾曼濾波、模糊控制、系統(tǒng)辨識(shí)、狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制等新技術(shù)，可以解決電池行業(yè)許多技術(shù)難題。技術(shù)難點(diǎn)：電池?cái)?shù)學(xué)模型的非線性，時(shí)變性，環(huán)境因素。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!

電池的等效電路概念在滿足電池阻納因果性，線性，穩(wěn)定性的條件下，可以測(cè)出一個(gè)電極系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗譜，如果能夠另外用一些電學(xué)元件來構(gòu)成一個(gè)電路，使得這個(gè)電路的阻納頻譜與電極系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗譜相同，就稱這一電路為該電極系統(tǒng)的等效電路。稱用來構(gòu)成等效電路的元件為等效元件。等效元件有以下四種：等效電阻R，等效電容C，等效電感L，常相位角元件Q。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!電池等效電路的狀態(tài)方程根據(jù)現(xiàn)代控制理論,在滿足小范圍線性化的條件下,描述電池動(dòng)態(tài)過程和量測(cè)過程的狀態(tài)方程和輸出方程分別為：

x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)y(k)=Cx(k)u(k)是電池電流，y(k)是電池電壓,

x(k)是電池內(nèi)部狀態(tài)，根據(jù)需要可以有多種選取方法。自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!漸進(jìn)狀態(tài)觀測(cè)器用于電池內(nèi)部參數(shù)測(cè)試根據(jù)現(xiàn)代控制理論，當(dāng)一個(gè)對(duì)象內(nèi)部的狀態(tài)變量不能直接測(cè)量，可根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)采用狀態(tài)觀測(cè)器理論對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)，達(dá)到對(duì)其內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的目的。采用狀態(tài)重構(gòu)法，能達(dá)到測(cè)量電池內(nèi)部參數(shù)的目的，例如：電池的正、負(fù)極板電壓，隔膜或電解液引起的內(nèi)阻，各種動(dòng)態(tài)的擴(kuò)散阻抗、電池的自放電電阻等。

狀態(tài)觀測(cè)器在現(xiàn)代控制理論中已是相當(dāng)成熟的理論，已廣泛用于航空航天衛(wèi)星姿態(tài)控制中，這一技術(shù)用于電池內(nèi)部參數(shù)測(cè)試，將對(duì)電池測(cè)量技術(shù)提供一種給力的工具。目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為電池測(cè)試技術(shù)提供了飛躍的基礎(chǔ)，測(cè)試自放電只是一個(gè)小的嘗試。這一新的測(cè)試方法有可能開辟一條嶄新的電池測(cè)試技術(shù)路線?？梢钥焖贉?zhǔn)確測(cè)出以前不敢想象的電池內(nèi)部參數(shù)。敬請(qǐng)關(guān)注！自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!系統(tǒng)辨識(shí)法實(shí)現(xiàn)電池的自放電性能快速測(cè)量?一種基于新原理的電池自放電性能快速測(cè)量的方法?它可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成電池的自放電性能測(cè)試?可以定量計(jì)算電池自放電電阻的大小?適用于多種二次電池和一次電池的單體及電池組的自放電性能測(cè)量

IwU1U2E

被測(cè)量電池的等效電路漸進(jìn)狀態(tài)觀測(cè)器等效電路的微分方程描述：自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!ZM-6082電池自放電性能測(cè)量裝置

測(cè)量通道：8路

溫度測(cè)量：2路

測(cè)量精度：1%

測(cè)量時(shí)間：12小時(shí)

子木科技

ZEEMOO自放電技術(shù)新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!5、自放電測(cè)量新原理技術(shù)應(yīng)用與展望1