[編者按]一百多年來,交大人用知識和智慧創(chuàng)造累累碩果,譜寫了近現(xiàn)代史上的諸多“第一”。這是人才培養(yǎng)的智慧、科學(xué)研究的智慧、服務(wù)社會的智慧、為國爭光的智慧。新聞網(wǎng)特推出“交大智慧”專欄,聚焦交大人的智慧之光,展現(xiàn)交大人為國家發(fā)展和社會進(jìn)步作出的重大貢獻(xiàn)。

近日,在國家自然科學(xué)基金、國家973計劃的支持下,化學(xué)化工學(xué)院賀益君和馬紫峰等人在動力鋰離子電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計理論研究上取得新的進(jìn)展。相關(guān)研究成果已在線發(fā)表于美國化學(xué)工程學(xué)會會刊(AIChE Journal,2015,doi:10.1002/aic.14760)。  

鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能工程等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在“十三五”期間,我國繼續(xù)將“新能源汽車”列為國家重點(diǎn)研發(fā)計劃的重點(diǎn)專項課題,對新能源汽車專用動力電池提出更高的要求。低成本、高容量、長壽命和高安全性的鋰離子電池設(shè)計與制造是新能源汽車對于下一代動力電池提出的基本目標(biāo)。電池管理系統(tǒng)(BMS)是新能源汽車動力系統(tǒng)總成與大規(guī)模儲能系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié),對電池的荷電狀態(tài)(SOC)與健康狀態(tài)(SOH)預(yù)測模型設(shè)計與構(gòu)建,對于整個電池狀態(tài)的控制,提高電池的使用壽命和系統(tǒng)能量密度,充分發(fā)揮電池的容量具有重要的意義。  

目前BMS設(shè)計應(yīng)用的SOC預(yù)測模型多采用開路電壓法或電池內(nèi)阻法,實用但精度較低,而對鋰離子電池的健康狀態(tài)(SOH)預(yù)測模型研究則相對缺乏,未有突破性的研究成果。  

賀益君和馬紫峰等人在開展燃料電池、二氧化碳捕集與存儲系統(tǒng)的多目標(biāo)、不確定性設(shè)計理論研究的基礎(chǔ)上(Fuel Cells, 2013,13(3):321-335;Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53, 778–785;Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2014, 135, 37-47),面向解決鋰離子電池高安全、長壽命運(yùn)行的電池管理系統(tǒng)難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題,將化工過程復(fù)雜系統(tǒng)的多目標(biāo)、不確定性設(shè)計和操作優(yōu)化理論應(yīng)用于BMS設(shè)計理論研究中,建立了鋰離子電池等效電路模型;在MATLAB軟件上開發(fā)了單體鋰離子電池的Simscape仿真平臺,實現(xiàn)模型參數(shù)辨識和動態(tài)仿真;首次提出一種基于非線性半無限規(guī)劃(NSIP)的多項式開路電壓模型,將開路電壓(OCV)與SOC的單調(diào)性先驗知識顯式地融入建模過程;并提出了一種全局優(yōu)化方法,可從原理上保證所建OCV模型滿足單調(diào)性關(guān)系,有助于提升SOC預(yù)測的精度和穩(wěn)定性(Industry & Engineering Chemistry Research,2015, 54 (12):3167–3174)。  

他們還創(chuàng)新性地提出了一種多尺度高斯過程模型框架,它能解耦全局的容量衰減趨勢以及局部的容量再生與波動,可同時實現(xiàn)鋰離子電池SOH的短期和長期精確預(yù)測,為電池的荷電狀態(tài)(SOC)估計和剩余可用壽命(RUL)預(yù)測奠定了堅實的理論和方法基礎(chǔ)。運(yùn)用所提出的方法對美國宇航局(NASA)艾姆斯卓越預(yù)測中心三款標(biāo)準(zhǔn)電池數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果表明可自適應(yīng)地解構(gòu)鋰離子電池的長期容量衰減、短期容量再生和波動等多種類型的趨勢,極大提高了模型的預(yù)測性能。  

此項研究發(fā)展的建模思想是一類普適性方法,作為一種純數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法,有助于克服現(xiàn)有機(jī)理模型方法參數(shù)校正困難、計算量大、難以實時在線應(yīng)用等缺陷。