機(jī)械行業(yè)、電子行業(yè)通常會(huì)逐漸走向數(shù)字化設(shè)計(jì)或者數(shù)字化管理的方向，電池也不例外，但電池的數(shù)字化道路顯然難走得多。

2022年11月17日，由蓋世汽車主辦，上海虹橋國際中央商務(wù)區(qū)管委會(huì)、上海閔行區(qū)人民政府指導(dǎo)，上海南虹橋投資開發(fā)（集團(tuán)）有限公司協(xié)辦的2022第二屆汽車動(dòng)力電池論壇上，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院教授魏學(xué)哲表示，電池管理最終一定會(huì)擴(kuò)充到電化學(xué)數(shù)字電源的概念。打造數(shù)字電源，需要從數(shù)字化建模、數(shù)字化測量和數(shù)字化管理三方面的工作入手。

此外，未來一些場景下車電分離或?qū)⒊蔀橐淮筅厔?。魏學(xué)哲強(qiáng)調(diào)，對于電池管理而言，需要關(guān)心的不是車端階段的壽命，而是全生命周期的壽命問題。

魏學(xué)哲｜同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院教授

以下是演講內(nèi)容整理：

今天我把我們課題組以及我個(gè)人的思考，起了個(gè)名字叫《數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)電池變革》，談到電池，首先就會(huì)談到材料問題，電池工業(yè)的底層技術(shù)是是電化學(xué)，再往上是材料問題，毫無疑問，20多年來，材料技術(shù)是電池技術(shù)進(jìn)步的第一驅(qū)動(dòng)力。

材料又分為正、負(fù)極和電解液，負(fù)極材料包含石墨、硅碳、鋰金屬等，正極材料包含磷酸鐵鋰、三元等，電解液則正從液態(tài)走向固液混合和固態(tài)。

談到電池設(shè)計(jì)，電池實(shí)際上很難兼顧不同的特性，某種意義上講是個(gè)“蹺蹺板”，比如能量密度和安全性是矛盾，功率和壽命是矛盾，很難做到面面兼顧，必須要作出取舍。

另外，我們觀察到電池封裝的技術(shù)進(jìn)步，如圓柱、軟包、方形，在電池封裝背后有很多技術(shù)路線支撐，包含生產(chǎn)工藝、裝備自動(dòng)化等各種問題，牽一發(fā)而動(dòng)全身，涉及到很長的產(chǎn)業(yè)鏈條。電池封裝正走向大型化、大模組化。電池越做越大，一定會(huì)帶來一致性的問題，雖然大型化帶來的能量密度更高，空間利用率更高，但制造難度也會(huì)顯著增加。

因此，雖然電池技術(shù)快速發(fā)展，材料設(shè)計(jì)不斷進(jìn)步，但需求和各方面約束也越來越多，從車端應(yīng)用來說，電池的應(yīng)用需求越來越多，有的會(huì)追求快充，有的會(huì)追求長續(xù)航，有的要求在非常惡劣的環(huán)境下可以使用，總之有各種要求，不可能做一款電池包攬全部需求，一定要基于需求并進(jìn)行定制化的開發(fā)。

回歸主題，機(jī)械行業(yè)、電子行業(yè)通常會(huì)逐漸走向數(shù)字化設(shè)計(jì)或者數(shù)字化管理的方向，電池也不例外，但電池的數(shù)字化道路顯然難走得多。

電池設(shè)計(jì)的數(shù)字化要從需求出發(fā)，基于對能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、充電速度的考慮，需要以數(shù)字化作為技術(shù)底座，深度了解應(yīng)用工況，以仿真作為試錯(cuò)方法，才能能走好電池的數(shù)字化之路。

電池在設(shè)計(jì)之后會(huì)在工廠進(jìn)行制造，制造后會(huì)進(jìn)入十年甚至更長時(shí)間的應(yīng)用期，應(yīng)用期內(nèi)，廠商也應(yīng)該做好對電池的全生命周期管理。

我們再來看電池管理系統(tǒng)的演變這條線，第一階段主要是對鋰離子電池容易出問題的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行保護(hù)和干預(yù)：電壓、電流、溫度的上限和下限，保護(hù)是第一階段的基本思路，但這顯然不夠。

因此就出現(xiàn)了電池安全管理的第二階段，首先是做系統(tǒng)架構(gòu)的革新，將幾百個(gè)電池，甚至上千個(gè)電池分而治之，進(jìn)行模塊化處理，這樣由多個(gè)模塊級(jí)單元組合為一個(gè)包級(jí)單元。當(dāng)然這也樣做也有困難，包括多電位的并存采樣、跨電位之間的通訊、絕緣問題等等。

目前的電池管理存在著哪些困難？就是做各種“估計(jì)”，包括SOC、SOH、SOP、SOT，合在一起叫SOX，就是參數(shù)與狀態(tài)估計(jì)，其實(shí)質(zhì)困境就是測量太少，估計(jì)太多，要在低頻、低精度測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上演繹復(fù)雜算法。

總結(jié)一下，第一代BMS實(shí)際上是面向電壓、電流的閾值管理，可以稱之為是維持生存的階段；第二代BMS是面向電量、功率、能量估計(jì)，解決的是溫飽問題；現(xiàn)在要向第三代BMS演進(jìn)，解決長壽命和安全問題。

其實(shí)，電池想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的長壽命使用，僅僅依靠制造階段是不現(xiàn)實(shí)的，一定要面對全生命周期可能出現(xiàn)的各種問題，以上講了兩條線，一個(gè)是電池設(shè)計(jì)的數(shù)字化基本思路，一個(gè)是電池運(yùn)行的管理系統(tǒng)演變，要解決以上問題，一定需要數(shù)字化模型和精確測量數(shù)據(jù)，這是電池?cái)?shù)字化的基礎(chǔ)。

但現(xiàn)在存在的問題是，設(shè)計(jì)層面的模型比較弱，電池材料級(jí)別的測量手段和測量數(shù)據(jù)都非常豐富，但到了電池階段，就被封成了黑箱，可以用的參數(shù)非常少，運(yùn)行階段的參數(shù)和設(shè)計(jì)階段的參數(shù)完全割裂。

目前電池可用的模型可以分為：1、等效電路模型；2、電化學(xué)機(jī)理模型；3、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。

機(jī)理模型的基礎(chǔ)模型框架是多孔電極理論均質(zhì)模型，但為了能實(shí)用，需要打破一些假設(shè)，如對電池的真實(shí)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，可以借助觀測手段，對電池成像然后重構(gòu)。如觀察電池在全生命周期的組成和結(jié)構(gòu)有沒有發(fā)生改變，基于此構(gòu)建全生命周期的電池模型。

有模型之后還需要真實(shí)的測量數(shù)據(jù)作為反饋，既要有微觀的測量，也要有宏觀的測量。由于電池材料級(jí)別的表征材料已經(jīng)足夠豐富了，要把材料級(jí)別的表征手段和宏觀的表征手段結(jié)合，建立Cell級(jí)別的表征手段和測量手段。

這就可能包括循環(huán)過程中的應(yīng)力和應(yīng)變測試、電池的CT掃描、電解液、溫度分布情況的超聲波掃描、分布式溫度測量等。

在此基礎(chǔ)上，將傳感器集成到電池里，幫助測量、分析SOC和SOH、氣體、析鋰檢測等，加上數(shù)據(jù)的智能處理，就可以優(yōu)化電池內(nèi)外溫差、優(yōu)化充放電策略，檢測電池老化、預(yù)測熱失控等問題。

然而，電池智能化之后必然面臨內(nèi)部傳感監(jiān)測的諸多應(yīng)用與挑戰(zhàn)，比如傳感器植入的封裝問題；不當(dāng)植入造成嵌鋰不均勻的問題，傳感器造成極片凸起的問題，離子傳輸受阻和副反應(yīng)產(chǎn)氣等問題。

即使不做傳感器植入，外部測量也有提升的空間，如通過AFE的硬件創(chuàng)新和寬頻阻抗測量，可改善電池壽命估計(jì)、壽命模式識(shí)別和故障診斷，我們采用了集中激勵(lì)、分布測量的技術(shù)路線，取得了較好的成效。。

簡單總結(jié)一下：電池的數(shù)字化管理包括三個(gè)方面的工作，1、從顆粒級(jí)別的模型到整包的模型建模，建立電化學(xué)機(jī)理、材料學(xué)表征、數(shù)據(jù)特征挖掘整個(gè)鏈路的全模型，包含云端模型與算法、車端模型與算法；2、數(shù)字化測量，包含多物理量測量、嵌入式傳感、智能電池設(shè)計(jì)三個(gè)領(lǐng)域；3、數(shù)字化管理，包含車云融合感知、主動(dòng)預(yù)測管理控制，包含高低溫?zé)峁芾?、快充管理、車網(wǎng)互動(dòng)管理等幾個(gè)部分。

總而言之，電池管理技術(shù)將和電池?cái)?shù)字化技術(shù)相結(jié)合，最終走向電化學(xué)數(shù)字電源，數(shù)字化將成為該全功能電化學(xué)電源系統(tǒng)的核心方法論。

（以上內(nèi)容來自同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院教授魏學(xué)哲于2022年11月17日由蓋世汽車主辦，上海虹橋國際中央商務(wù)區(qū)管委會(huì)、上海閔行區(qū)人民政府指導(dǎo)，上海南虹橋投資開發(fā)（集團(tuán)）有限公司協(xié)辦的2022第二屆汽車動(dòng)力電池論壇上發(fā)表的《數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)電池變革》主題演講。）

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