自放電技術新突破李革臣

電動汽車動力電池系統(tǒng)關鍵技術研究報告（三）

二次電池自放電測量新原理技術

研究探索與應用展望

（國家973計劃研究成果）

哈爾濱理工大學子木科技

賽恩斯能源科技有限公司

李革臣

2011.12.17自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!電動汽車動力電池系統(tǒng)關鍵技術研究報告匯總

總目錄

一、安全性理論及應用研究

二、動態(tài)充放電一致性關鍵技術

三、動態(tài)自放電一致性關鍵技術（本篇）

四、電池管理系統(tǒng)關鍵技術

五、組合方式與系統(tǒng)關鍵技術

六、廣義健康度SOH新概念及其應用

七、工況運行壽命保證

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

目前國際通用的測量方法是：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，然后通過測量電池的剩余電量的方法來評估電池自放電的大小。

這種傳統(tǒng)自放電的測量方法需要很長的測試時間、影響因素較大，準確性十分有限，并且占用大量的流動資金和大面積生產場地，造成驚人的浪費，甚至還會涉及到安全性，事實上已發(fā)生多起火災事故，嚴重影響電池企業(yè)和科研單位的經濟效益。

電池行業(yè)重大需求：動力電池自放電快速準確測量自放電技術新突破李革臣共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、生產環(huán)境密切相關。2.3使用環(huán)境影響因素：對電池自身而言，自放電率不是一個常數(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。過充、過放、振動、短路等濫用環(huán)境都會影響電池自放電性能。2.4自放電測試技術難點：?目前所有測量儀器儀表、已知的電池測量方法都無法深入到電池內部進行測試。?涉及到微瓦級、分辨率已達納瓦級精密測量，目前常規(guī)的測試方法、測試水平難以勝任。自放電技術新突破李革臣共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、生產設備、操作方法、使用環(huán)境、五個方面解決①尋找減小自放電的途徑。②提高自放電穩(wěn)定性。每做一項改進自放電的試驗，需28天得出結果，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間！怎么辦？

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

系統(tǒng)辯識理論及應用定義：在系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)基礎上，從給定的模型類中，確定一個與所測量系統(tǒng)等價的數(shù)學模型，求取系統(tǒng)數(shù)學模型的過程稱系統(tǒng)辨識。系統(tǒng)辨識分為模型結構辨識和模型參數(shù)估計。在系統(tǒng)辯識理論中，可以把被辨識對象看成是一個“黑箱”、“灰箱”或“白箱”。電池由于結構是已知的，可以看作是一個“白箱”。

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

電池的數(shù)學模型描述電池電極動力學過程參數(shù)的方程稱為電池的數(shù)學模型，對一個對象，數(shù)學模型不是唯一的，例如，電池的阻抗模型：

Rr

ωCdRr2

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

Rr:電化學反應電阻,也稱法拉第阻抗,非線性。Cd:電池極板表面雙層電容。Rs:歐姆內阻,電極極耳及各種物料電阻。ω:測試頻率。Z:電池的交流復阻抗。自放電技術新突破李革臣共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)學模型Rs：歐姆內阻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)觀測器的狀態(tài)重構

結構上是一種閉環(huán)狀態(tài)觀測器，在這種觀測器中,被觀測系統(tǒng)的輸出變量U1提供對狀態(tài)觀測器系統(tǒng)輸出U2的校正作用，使U2隨時間無限接近U1.

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

狀態(tài)觀測器輸入信號Iw采用M序列M序列又稱離散偽隨機序列（偽隨機信號）M序列的特點：

(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產生。主要性質:

(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。(N為序列長度)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，辨識g(τ)的結果與連續(xù)白噪聲的是完全一致。因此，可以在很寬的頻譜范圍內辨識系統(tǒng)的參數(shù)。自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!自放電快速測量方法步驟（七步法）①將電池作為系統(tǒng)辨識的對象，電池充放電流Iw作為輸入信號，電池電壓U1作為輸出信號。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，以Iw為輸入信號，求解微分方程，微分方程的解就是等效電路輸出信號U2。⑤將等效電路的輸出信號U2與被測量電池的電壓U1進行比較，得出誤差E。⑥根據(jù)誤差E調整等效電路的參數(shù)Rs、Rr、Cd、R0，使E逐漸減小。這是一個以誤差E為目標函數(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反復進行比較和調整，使E逐漸減小，當E趨于零時，U2趨于U1，此時；

仿真系統(tǒng)中的參數(shù)R0即為被測量電池的自放電電阻。

要耗時十余小時，進行數(shù)以十萬計的計算。IwU1U2E自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!自放電新原理技術應用舉例

溫度及荷電態(tài)對自放電的影響溫度（℃）

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間！怎么辦？6天就解決了自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!進一步研究與探索:“動態(tài)自放電”概念的建立▲自放電率不是一個常數(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。過充、過放、振動、短路等濫用環(huán)境也都會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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對于單體電池性能測試，我們要用一族曲線才能對其自放電性能進行全面綜合描述，這族曲線稱為電池的“動態(tài)自放電性能曲線”。

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對于電池組合分類技術，我們把動態(tài)自放電性能相對一致的電池組，稱為具有“動態(tài)自放電一致性”。觀點敬請各位專家批評指正自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!6、結論1、本文旨在揭示自放電的重要性，并針對自放電目前無測試手段的尷尬局面，介紹了自放電快速測量方法，使28天測試周期實現(xiàn)了“夕發(fā)朝至”，做到了“白天做方案，晚上做實驗”一天就出改進結果。2、對單體電池：做到了“單因素試驗”。可以分別從與材料，工藝，設備、操作及應用環(huán)境的角度。合理選擇正、負極材料，隔膜，電解液。指導生產工藝，和漿，涂布，卷繞，注液，化成，存儲。評估溫度，荷電態(tài)，充放電倍率，振動，過充、過放、短路、沖擊、對自放電的影響。迅速提高單體電池的自放電性能。3、對組合電池：創(chuàng)造了“動態(tài)自放電一致性分選”方法。從原理上延長了動力電池組的使用壽命，提供了電池管理系統(tǒng)的設計依據(jù)，降低了工作難度。有效提高電池組的使用壽命。4、本發(fā)明是在國家973計劃支持下完成的，首席科學家：吳鋒教授。973課題名稱：“二次電池檢測新原理與節(jié)能技術”課題編號：2009CB220107。已經申請并受理為國家發(fā)明專利。5、自放電快速測量技術的原理性新突破，將成為提高電池組性能的有效、實用、給力的工具。將會對鋰（鎳氫）動力電池行業(yè)、電動汽車、儲能電源行業(yè)起到一定的推動作用，15自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!1、問題的提出1、動力電池、儲能電池現(xiàn)場運行，安全性和壽命，自放電是關鍵。2、鋰電池運輸需補電30%，造成安全隱患，原因是自放電。3、保存?zhèn)溆闷趽p壞，變?yōu)榈碗妷夯蛄汶妷海瓒ㄆ谘a電，原因是自放電。4、高溫環(huán)境應用，自放電大，正反饋，安全隱患，主要原因自放電。5、為了測自放電，標準規(guī)定需常溫擱置28天、高溫擱置7天，能耗、設施費用、流動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)設計，各種均衡方法的采用，原因都是自放電。自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!3、自放電測量技術現(xiàn)狀國際標準、國家標準及行業(yè)標準：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)技術條件中規(guī)定的放電終止電壓。計算放電容量（以Ah計）。荷電保持能力可表示達為額定容量的百分數(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)技術條件中規(guī)定的放電終止電壓。計算放電容量（以Ah計）。荷電保持能力可表示達為額定容量的百分數(shù)。這是已經習慣的、已被接受的，驚人的浪費：

常溫測試28天：時間、占地、資金、工時

高溫測試7天：時間、占地、資金、工時、能耗、安全自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!4、自放電測量新原理研究探索根據(jù)系統(tǒng)辨識理論，被測量電池可以被看做一個“黑箱”，分析其輸入信號和輸出信號，可以對被測量電池進行結構辨識和參數(shù)估計，得到電池的內部參數(shù)，如內阻、自放電電阻。將被測量電池B用一個等效電路（參數(shù)值Rs、Rr、Cd、R0）表示并采用計算機進行仿真。同時對被測量電池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U1和U2，根據(jù)U1和U2的誤差E調整等效電路的參數(shù)值，當誤差E趨于零時，等效電路的參數(shù)值與被測量電池B的參數(shù)值也達到一致，等效電路的自放電電阻R0即為被測量電池的自放電電阻。辨識輸入信號Iw采用偽隨機序列，其數(shù)字特征與白噪聲相似，可以在很寬的頻譜范圍內辨識系統(tǒng)的參數(shù)。該方法稱“系統(tǒng)辨識法”也可稱為“狀態(tài)重構法”，可以在數(shù)小時內完成電池的自放電性能測試。在自動控制技術中經常用于無法直接測量的系統(tǒng)參數(shù)。自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

數(shù)學模型的基本概念定義：數(shù)學模型是針對參照某種事物系統(tǒng)的特征或數(shù)量依存關系，采用數(shù)學語言，表述出的一種數(shù)學結構。數(shù)學模型準確地代表了系統(tǒng)的最本質特性。數(shù)學模型分為時域和頻域，可用微分方程或傳遞函數(shù)表示。建模方法：階躍響應法，脈沖響應法，狀態(tài)觀測器法（時域），多點頻譜法（頻域）。采用數(shù)學模型方法，測試數(shù)據(jù)的數(shù)學處理變得非常簡單，現(xiàn)代控制理論的許多成熟的技術，都能應用于電池科研和生產過程控制，等效電路、最優(yōu)估計、卡爾曼濾波、模糊控制、系統(tǒng)辨識、狀態(tài)觀測器、自適應控制等新技術，可以解決電池行業(yè)許多技術難題。技術難點：電池數(shù)學模型的非線性，時變性，環(huán)境因素。自放電技術新突破李革臣共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，可以測出一個電極系統(tǒng)的電化學阻抗譜，如果能夠另外用一些電學元件來構成一個電路，使得這個電路的阻納頻譜與電極系統(tǒng)的電化學阻抗譜相同，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,描述電池動態(tài)過程和量測過程的狀態(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)是電池內部狀態(tài)，根據(jù)需要可以有多種選取方法。自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!漸進狀態(tài)觀測器用于電池內部參數(shù)測試根據(jù)現(xiàn)代控制理論，當一個對象內部的狀態(tài)變量不能直接測量，可根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)采用狀態(tài)觀測器理論對其進行狀態(tài)重構，達到對其內部參數(shù)進行測量的目的。采用狀態(tài)重構法，能達到測量電池內部參數(shù)的目的，例如：電池的正、負極板電壓，隔膜或電解液引起的內阻，各種動態(tài)的擴散阻抗、電池的自放電電阻等。

狀態(tài)觀測器在現(xiàn)代控制理論中已是相當成熟的理論，已廣泛用于航空航天衛(wèi)星姿態(tài)控制中，這一技術用于電池內部參數(shù)測試，將對電池測量技術提供一種給力的工具。目前的計算機技術、數(shù)字化技術、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為電池測試技術提供了飛躍的基礎，測試自放電只是一個小的嘗試。這一新的測試方法有可能開辟一條嶄新的電池測試技術路線?？梢钥焖贉蚀_測出以前不敢想象的電池內部參數(shù)。敬請關注！自放電技術新突破李革臣共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!系統(tǒng)辨識法實現(xiàn)電池的自放電性能快速測量?一種基于新原理的電池自放電性能快速測量的方法?它可以在數(shù)小時內完成電池的自放電性能測試?可以定量計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量

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

測量通道：8路

溫度測量：2路

測量精度：1%

測量時間：12小時

子木科技

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