1、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
2、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
3、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
4、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
5、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205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。高温荷电保持能力 蓄电池按3.2.4充电后，在552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205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（
6、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
7、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
8、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
9、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 Rr2 Z =Rs+j 1+2 Cd2 Rr2 1+2
10、Cd2 Rr2 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R0：电池
11、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。IwU1U2EIwIw渐进状态观测器用于电池内部
12、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。
13、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
14、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 IwU1U2E 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
15、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。IwU1U2EZM-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 ZEEMOOZEEMOO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 4
16、0 50 自放电（%28D）soc 100%0.5341.0312.0452.8353.7235.238 自放电（%28D）soc 50%0.3120.7461.5392.2462.8374.352 自放电（%28D）soc 0%0.1630.3810.8231.0461.3641.898 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
17、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
18、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
19、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。256、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
20、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
