薄膜压力感测技术在电池状态估计与预警中的应用

薄膜压力感测技术在电池状态估计与预警中的应用姜久春教授1二二70607060504030200202420212020202020192018202220232025202220232025 l提升清洁能源存储能力 l l推进大规模储能技术研发l推进高效储能等新兴技术l实施电化学储能示范“十二五”规划2021——2025“十一五”规划l发展储能等先进技术2021——2025“十一五”规划ll建立和完善新能源创新体系2011——20152011——20152006——20102006——20103热失控征兆仍没有确定性的结论；2112849交叉映射关系复杂交叉映射关系复杂4储能站模组监测手段不足储能站模组监测手段不足传感信号匮乏55猝死型热失控预警是最大挑战，亟需增加传感监测参数猝死型热失控预警是最大挑战，亟需增加传感监测参数状态估计以及管理，新能源车已经证明，这套系统对于猝死电池无法做出预警状态估计以及管理，新能源车已经证明，这套系统对于猝死电池无法做出预警voltagecurrentTemperatureTemperature无法识别猝死电池故障单体传统BMS信号有限，无法预警猝死电池，充分传统BMS信号有限，无法预警猝死电池，充分7二二8基于压力的电池管理方法是电池应用领域的8.压力-识别电池“猝死”未析锂析锂Onboardearlydetectionandmitigationoflith从第一性原理角度，压力反映电池结构，结构反映电池状态结构变化柔性触觉（薄膜力学）传感器是国家关键卡cc亟需突破柔性薄膜压力传感技术，夺回关键亟需突破柔性薄膜压力传感技术，夺回关键技术自主权10灵敏度高、线性度好、蠕变小柔软，可以与皮肤共型变化传统柔性传感器电容值较大，抗干扰性能强灵敏度高、线性度好、蠕变小柔软，可以与皮肤共型变化传统柔性传感器电容值较大，抗干扰性能强离电式电容传感薄膜性能好，可靠性高，指标优势强11宽温区：适应电池及环境温度变化宽温区：适应电池及环境温度变化传感器性能指标数值压力范围0-2Mpa压力点数32（4*8）精度重复度非线性度工作温度-20℃-100℃Time(h)Time(h)Time(h)归一化压力归一化压力压力特征可用于优化电池SOX估计与预测13二二故障管理充电管理通信接口故障管理充电管理通信接口均衡控制BMS从控单元BMS从控单元力学传感单元状态估计状态估计系统管理系统管理实时通讯实时通讯RICS-V版图片上温度传感器版图Sigma-DeltaADC版图lSigma-DeltaADCRICS-V版图片上温度传感器版图Sigma-DeltaADC版图lSigma-DeltaADC实现电压测量精度:±2mVl片上温度传感器实现监测精度:±2.5KlRISC-V与SARADC实现应力检测精度：1Mp ●高性能RISC-V微处理器核●内部和外部均衡●Sigma-Delta高精度ADC●高速菊花链通信接口BATBAT100x单电芯管理前端AFE参数@VDD=3.3VTemp=25℃)电池电压范围1.9to5.5V1.4to5.0V2.0to5.0V电压测量精度±0.6mV温度测量精度±2.5℃±2.5℃外部温度传感×应力检测精度××外部均衡√×√内部均衡电流200mA200mA×护照功能PUF防伪标签××√护照存储空间×持加密存储××√通讯方式差分菊花链通信无线通信差分菊花链通信工作范围-40°Cto+105°C-40°Cto+105°C-40°Cto+105°CRISC-V内核验证芯片SARADC与DAC验证芯片Sigma-DeltaADC验证芯片菊花链模块FPGA验证++微观参数多元传感信号材料物性参数标定…电极结构参数标定面容量孔隙率迂曲度电信号温度分布应力分布阻抗信号阻抗信号电池产气超声信号结合电池膨胀力信息搭建基于力-电信号的高精度电池状态估计模型ΔRΔRVoltage(V)Temperature(℃)Voltage(V)Temperature(℃) 析锂导致过渡频率阻抗变化析锂导致膨胀力变化ΔF(N)析锂导致过渡频率阻抗变化析锂导致膨胀力变化ΔF(N)不同SOC下的静态EIS不同SOC下的过渡频率阻抗充电过程中的过渡频率阻抗4CCapacity(mAh) 膨胀力监测实验台架充电过程中的膨胀力膨胀力差分曲线电流中断法实时获取电流中断法实时获取过渡频率阻抗基于过渡频率阻抗的异常变化检测析锂不同充电倍率下的力学信号单位容量下的电池膨胀力变化(dF/dQ)plating>(dF/dQ)intercalation电解液降解机械损伤热失控内短路电极材料退化电池漏液电解液降解机械损伤热失控内短路电极材料退化电池漏液基于模型的方法基于数据的方法基于知识的方法模型参数模型参数热失控分级热失控特征中低频故障特征热失控预警模型参数模型参数热失控分级热失控特征中低频故障特征热失控预警0%-100%SOC2.8-4.25V100%-120%SOC4.25-4.65V120%-130%SOC4.65-4.75V130%-140%SOC4.75-5.3V>140%SOC<5.3VSecurityLevelⅠLevelⅡLevelⅢ中高频故障特征数据采集圆弧-中高频圆弧-中低频圆弧-中高频数据提取基于多元传感信号的故障预警模型可有效识别多种故障，保障异常老化异常老化电芯析锂异常老化异常老化电芯析锂析锂电芯SOC(%)内短路内短路电芯二二三三储能电池电热力阻建模方法锂电池传感芯片-新型BMS管理-云边协同预\r\r示范工程：南方电网深圳供电局工商业储能示范依托项目：国家重点课题研发计划“储能电池高精度先进测试表征和失效分析技术”试点工程为200kwh储能示范项目采用280Ah储能电芯，每个pack为16个电芯，一共12组电通