近日，在國家自然科學(xué)基金、國家973計(jì)劃的支持下，化學(xué)化工學(xué)院賀益君和馬紫峰等人在動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)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(huì)會(huì)刊(AIChE Journal,2015,doi:10.1002/aic.14760)。
鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)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(jì)劃的重點(diǎn)專項(xiàng)課題，對新能源汽車專用動(dòng)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(jì)與制造是新能源汽車對于下一代動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)總成與大規(guī)模儲(chǔ)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(jì)與構(gòu)建，對于整個(gè)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(jì)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(shí)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(chǔ)系統(tǒng)的多目標(biāo)、不確定性設(shè)計(jì)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(jì)和操作優(yōu)化理論應(yīng)用于BMS設(shè)計(jì)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(tái)，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)辨識(shí)和動(dòng)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(xiàng)式開路電壓模型，將開路電壓（OCV）與SOC的單調(diào)性先驗(yàn)知識(shí)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(dòng)，可同時(shí)實(shí)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(jì)和剩余可用壽命（RUL）預(yù)測奠定了堅(jiān)實(shí)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?cái)?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(dòng)等多種類型的趨勢，極大提高了模型的預(yù)測性能。
此項(xiàng)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(dòng)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(jì)算量大、難以實(shí)時(shí)在線應(yīng)用等缺陷。
