【2020电动汽车百人会】密歇根大学Anna：电池生命周期的管理和预测评估

1月10-12日，2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题，邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表，就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是密歇根大学教授、主任，Anna G. Stefanopoulou在本次论坛上的发言：

密歇根大学教授、主任 Anna G. Stefanopoulou

大家下午好！非常感谢主办方的邀请，非常高兴参加今年的百人会会议。我想给大家展示几张图片，我们现在面临气候变化，我们需要考虑应当如何保护环境，这就是为什么我们在讨论电动汽车的发展，这些数据是来自于国际能源署、国际能源联合会，如果我们把现在在学界还有业界所有的工作加总在一起，我们就会发现现在这些黄色的部分代表的是电动汽车的增长。

如果我们看一下内燃机，内燃机在2050年之前这个数字甚至有可能会翻倍。这就意味着电池对电动汽车来说，我们还需要更加的努力，才能真正完成现在的需求，甚至在未来我们希望能够达到全球范围之内80%的车辆都是电动汽车。不仅仅是乘用车，不仅仅是商用车，包括重型汽车还有其他类型的交通工具，我们都希望能够增加电动汽车它的比重，包括长距离的运输等等。我们如果把各个公布的数据放在一起的话，我们发现在未来还需要这样的急剧增长，感谢大家在这方面作出的贡献。在未来我们还有很多的工作需要去做，事实上大概在20年，在未来我们希望能够到2040年预计我们将会比目标减少5亿的车辆。

我们来看左侧，这是一个整体的电池生态系统设计的流程。对电池的设计来说，生态系统有很多的标准，包括电池组整个设计体系，我们往右侧来走，就到达我的研究领域了，就是如何来增加，来延长整个电池它的生命周期，这就需要我们具有一种控制系统，有一种预测的系统，来帮助我们完成这样的工作。   

我们希望能够充分利用整个电池的生命周期，并且去延长这样的生命周期，一旦出现了电池的老化或者退化，我们发现我们能够仍然确保它的半衰期在一定范围之内，从而能够帮助我们实现快充。为了达成这样的目标，我们需要做更多的精准的估算，更多精准的诊断还有控制，而不仅仅是做预测。这一系列工作都需要我们来完成，在未来我们还需要考虑如何并网，并入电网。电池管理也需要考虑不同的变量因素，比如不同电池之间的性质不同、属性的不同等等，另外还有可持续性，也是我们需要考量的一个因素。我们需要确保整个电池设计能够达到可持续，能够达到循环的利用。我们需要确保不给现有的供应链带来过多的负担，所以这就是我今天想要给大家介绍的，就是整个电池生病周期的管理还有预测评估。

之前我在其他的会议上也提过类似的内容，我们现在希望能够去保护什么呢？我们希望能够确保我们的电池不会发生比如像电解质的氧化，再一个就是刚刚王教授提及的锂析出的现象。我们需要有这样一个监控器，需要有这样一个管理器，这样才能保护电池系统。但是我们现有的监控器能够监控的内容非常有限，比如电压等等，所以这些信息是不够的，没有办法帮助我们来确保高效的管理汽油控制。我们能够在电池系统控制的恐怕只有电流，刚才王教授提到的冷却，也可以进行控制，我们现有的控制能力是非常有限的。最终我们希望能够作出有效的预测，我们来看这张图表，它充分显示了我们获取的数据太少了，所以我们很难作出恰当的预测。我们现在所做的这些预测是基于我们现有的数据还有模型，在这样的情况下，我想为大家讲一讲第一个预测，也就是电池的SOC的预测。这个展示的是长时间的数据，在这个领域还有很多的未完成的工作。在很多的学术论文还有很多的杂志期刊当中，大家都能够找到类似的研究文章。我们能够看到在SOC这个领域，文章还有引用的频次是非常高的，所以这是一个非常热门的问题。

问题在于SOC的预估它的估算为什么这么难呢？为什么到现在还没有真正解决这个问题？大家来看，这是一些数据，事实上这个与电池有非常密切的关系，电池能给我们带来较高的能量密度，大家看一下，这个时候电压是非常平稳的。这就充分展示了整个化学过程是如何来进行运转的，所以对于SOC的预测来说，是取决于整个电压它的变化趋势还有整个它的倾斜程度，在这个图表上所展示的。我们需要将这个数据进行内在的分析，比如包括电压、噪声还有OCV的斜率，把这些参数全部都考虑进来，才能进行有效的预测。

我们对于比如插电混合动力电车，我们需要做的就是使用这样的电池，但是使用这种电池的情况下，我们依然很难真正进行有效的预估。我们希望能够更加明确的了解电池的健康程度到底如何，对于我们而言，我们希望有这样一个参数的范围，这样一个范畴，我们希望能够让SOC的程度维持在一个比较低的范围之内。因此，我们就需要考虑一下到底为什么我们没有办法去预测电池的退化，到底为什么电池会退化，电池退化的原因是什么，这张图片为大家所展示的是它的化学反应过程。比如电池的能力假如改变了10%的情况，我不知道大家能不能看到这些区别，这里展示的是电压，这是我们常规所检测到的电压情况。

我们来看正极的电势、负极的电势，在零度的时候会发生析锂的作用，阳极有比较平的曲线，我们可以有效对阳极进行降级。如果我们进行充电的话，可能会出现过充的情况，这张图展示的就是这个情况，所以说我们需要在开发的时候能够有更复杂的一些算法，同时能够使用一些传感技术。

我知道大家可能在材料这个领域有很多讨论，比如在一些电极的方面，有时候可能会造成一些破碎或者造成一些疲劳的情况。很多时候在进行充电的时候，我们会看到这种情况，很多时候在整个电池电芯外部都能观察到这种情况。现有的方法就是在左边这种做法，我们一般使用的是普通电压，对充电的SOC来进行测试。我们可以进行加压，或者使用张力应力这种方式，尝试去做实验，来看一下，并不是光从电芯的容量方面，从每个电子的容量是否会发生一些改变，如何在这个情况下做研究，我们一般会使用一些相对分层的方式来进行所谓的研究。

我们能够在最上面看到比较典型的一些磷酸铁锂电池，这个绿色一般是相应的电压，另外主要是电池它的总体程度。我们对磷酸铁锂电池进行充电的情况，通常会出现锂的损失，会收缩，与此同时会看到阳极会出现扩张的情况，会出现肿胀的情况，这是红线向我们展示的。这两者叠加起来之后，这张图中间这条蓝线从电芯层面上能够测量到的情况，这是电芯层面上的力，当SOC上升的时候是这个情况。可以看到在红线这个力量是如何在10%的衰减情况下来进行变化的，可以看到这里明确的一个衰减，不需要在这里去做算数，肉眼可及可以看到衰减的情况。我自己也是一个数学家，我向大家展示一些数学的公式，通过数学公式，大家能够去了解我所讨论的是一个什么内容。

我们在这里有一个很高的可见度，知道在阳极阴极发生什么的时候，你就理解究竟什么原因导致电芯出现异常，可以重新把电池做改用。在这里我会跟大家分享一些关键的发现，这张图我们能够看到这里是电压，我们通常情况下看到这个电压是非常平的一条曲线，没有太大的变化。为了能够更好的去理解电池的电容方面的变化，需要把它的发电做到70%的时候，看一下究竟有多少容量上面的损失，衰减究竟有多少。如果我们要去对力来进行测力的话，需要有同样程度的确定性，才能够做这样的测定。在这里我们能够掌握更多的信息，对一般的驾驶情景也会涵盖在内了。

最后我快速说一下，当我们提到在较高的C率的情况下，是否能够出现预估的可能性，尤其是我们看到电动汽车未来是要去依赖于快速充电功能的。对力来进行测量，能给我们提供更多的可观测性，能够对电极SOC的状态有一个明确的了解，尤其处在高C率的情况下，同时我们尝试对上述假设作出验证，通过一个模型来去捕捉这个电压和力，这些都是在较高的C率数据当中能够看到的。同时我们可以看到整个电压主要取决于表面的密度，它也是主要取决于散应力的，散应力维持着较高的C率，所以这些都是非常兴奋得一些知识。可能大家听上去有很多的数学，有很多理论性的东西，不见得是现实当中可行的，但是我想说的，实际上从减少电池衰减的角度来说，他们都是可行的。而且可以去大大降低电池的成本。

最后我们还是需要去把我们的电池就像我们把发动机的尺寸变小一样，电池尺寸需要不断减少，我们在冬天进行了测试，对电池包进行测试的时候，发现如果我们预估的能力大大提升的话，我们可以实现一个最大25%的电池包尺寸的减少。同时能够去实现25%更多的功率，同时整个预热过程也会变得更快，就像刚才王教授提到的，我们需要了解温度变化的梯度等等，这都是非常重要的一些信息。通过这个方式，我们能够去尽可能的把左边这么大的一个电池包把它的大小进行缩减，左边是76个电芯，右边只有60个电芯，但是能够带来同等的功率。

最后我想给大家分享的是对力来进行测量，能够帮助我们从安全的角度做的更好。这个实验是在两个月前我们做的一个实验，如果我们能够对电池包的力进行测量，我们能够快速的去识别，并且找到存在的肿胀的情况。当我们看到这个图片当中有一些热流失，我们很快就会看到电池的肿胀。我们就可以去找到这个力的变化，我们还会看到一些断裂的情况下会发生什么。如果我们尝试去做一些隔绝的话，我们可能会在六七秒之后才会看到这种情况的发生。我们在热流失的角度来说，可以对热流失来进行一些早期的探测，主要是通过刚才我们提到的机械化的对力的测量，就可以做到。同时我们可以对内部电路的短路造成的热损失有更好的识别能力和检测的能力。这里是我们提到在没有热流失情况下出现的内部电路短路的情况，我们能够在车辆上对检测的手段只关注D层就可以了，不需要对整个电池包都进行测试。我们基于物理，基于数据的角度，对电池的状态进行评估，毫无疑问是非常有前景的一项新的领域。我们需要在这方面去加大投入，同时我们也需要去多引入行业当中的各种人才来加入我们，从知识产权创造的角度来给我们提供大力的支持。有时候我们在做研究的时候也会受到知识产权方面的一些限制，最后，还想再提一下，我们现在有一个电池实验室，主要是针对工业生产来研究电池技术，在我们密歇根大学。最后，谢谢大家的关注。

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