面向电池寿命和安全管理的电化学阻抗技术进展

同济大学汽车学院

BMS信息升维面向电池寿命和安全管理的电化学阻抗技术进展1王学远湖先进储能技术研究院

天目天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究目录1

背景2基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法5总结与展望2湖先进储能技术研究院

天目天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究1研究背景l

国务院《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》：加强高安全和长寿命动力电池系统短板技术攻关l

现有电池管理系统(BMS)在面向寿命和安全评估管理上仍存在不足！第一代

BMS

第二代BMS

第三代BMS面向寿命和安全评估管理“健康长寿”面向电量、功率、能量估计管理“解决温饱”过去现在未来白箱纯内特性灰箱依据外特性推断内特性湖先进储能技术研究院

天目面向电压、电流、温度阈值管理“维持生存”黑箱纯外特性天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究管理方法迭代功能需求迭代3深度传感

神经系统需要记忆电池历史信息并实现管理存储计算信号传输CAN总线

通过直接测量电池内部参数感知电池实际状态是电池神经构建的起点1D2D3D菊花链无线通信端

云

实现信号的高频高精度的有效传输是构建神经系统的必要前提光纤压力温度气体压力、组分湖先进储能技术研究院

天目l正在构建电池神经系统储能电池天目湖先进储能技术研究院1研究背景动力电池究院

天目湖先进储能技术研究电压、电流、

EIS智能电池41研究背景l

电化学阻抗是电池内部电极过程特性的重要表征量频域方法线性电化学阻抗非线性电化学阻抗……系统辨识问题寿

安命

全衰

恶减

化+正极

隔膜

负极Li+固相颗粒固相颗粒电解液

湖先进储能技术研究院

天目时域方法电压、电流、温度、压力随时间变化规律……天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究51研究背景动力电池系统储能电池系统应用条件下电化学阻抗如何用如何测湖先进储能技术研究院

天目充分的工具链和仪器设备支持l

电化学阻抗在电池系统中应用面临诸多问题实验室条件下电化学阻抗如何算天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究62基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法问

题需

求

创

新

思

路多谐波信号设计问题

多谐波信号提取问题单频率信号：正弦

多谐波信号：

阶跃、随机序列等•

谐波成分单一•

信号处理容易•测量耗时长，0.01~10kHz时间＞9分•

激励发生要求高时频自适应算法：l

小波变换l

S变换•

谐波成分丰富•

有用信号提取难•

测量耗时短•

激励发生要求低湖先进储能技术研究院

天目非周期和周期信号：l

阶跃信号l

伪随机信号天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究72基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法l

提出了基于阶跃信号激励的EIS计算方法l

缩短了EIS测试时间（比正弦扫频缩短19%）阶跃信号窗函数,w(n)FFT电流,i(n)FFT×IFT×FFTIFTU(a,b)I(a,b)电压,

u(t)电压,

u(n)Z(a,b)u,(t)电流,i(t)窗函数,

g(t)i,(t)××FI,(f,

τ)FU,(f,

τ)÷信号形式测量时间（0.01Hz~1kHz）正弦信号495s阶跃信号400s（

19%）湖先进储能技术研究院

天目电池电压和电流测量i激励信号发生小波变换u阻抗计算S变换XWang,

XWei,Q

Chen,etal.JournalofEnergyStorage,2019,26(12):

1-12.XWangetal.IEEE

Transactionson

Transportation

Electrification,2022,8(3):

3659-3672.天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究8Z(f,τ)电压,

u(n)2基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法FU(f)FI(f)FFTFFTZ(f)=FU(f)/FI(f)a与RMSE

-●fs与RMSET与fL0.0

0.51.01.5

2.0

2.53.0Amplitude/A信号形式测量时间（0.01Hz~1kHz）正弦信号495s阶跃信号400s（

19%）PRBS信号131s（

73.5%）湖先进储能技术研究院

天目l

提出了基于PRBS信号激励的EIS计算方法l

进一步缩短了EIS测试时间（比正弦扫频缩短73.5%）窗函数,w(n)1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Δ与fHRMSE/mΩ电流,i(n)幅值a：逻辑状态0对应a，逻辑状态1对应-a移位脉冲周期Δ：每一级逻辑状态持续的时间阶次n：移位寄存器的级数循环周期N：一个周期内的序列长度

N=2n

-

1周期T：T=NΔCaiJ,

Wang

X*,etal.JournalofEnergyStorage,

2023,

59:

106428.天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究PRBS93集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统问

题

需

求创

新

思

路•激励测量集成度高•

电路单元数量多•

通信链路节点多•

现有架构难兼容•

低阻电池适用窄•

电路单元集中化•

通信和架构兼容易•

电池规格适用宽•

高功率激励设计难•

分布测量同步难高精度分布测量问题兼容现有BMS硬件：l

模拟前端AFE湖先进储能技术研究院

天目分布激励-分布测量

集中激励-分布测量兼容现有功率部件：l

（车载）充电机

l

DC-DC变换器高功率激励设计问题天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究103集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统双向OBC电池1电池2OBC电池nLECU阻抗计算方法主从时钟同步方法CANCECUEIS测量系统湖先进储能技术研究院

天目l

发明了基于OBC激励-AFE测量的EIS测量系统l

实现了2A激励下阻抗RMSE:

|Z|＜4%@0.1~500Hz

，φ<6.9%@0.2~200Hz天目湖先进储能技术研究院Wang

X,etal.IEEE

Transactionson

Industrial

Electronics,2020,

68(8):

7380-7390,究院

天目湖先进储能技术研究11阻抗模阻抗角湖先进储能技术研究院

天目l

开发了基于量产AFE（LTC6804）的EIS测量系统l

实现了2A激励且电压、电流采样频率200Hz时10Hz阻抗测量，模和相角相对误差≤3%3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究12湖先进储能技术研究院

天目3集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统l

合作开发了自主知识产权的多形态的EIS测量系统，满足不同场景需求l

合作开发了EIS测量系统控制和分析软件，支持ECM批量拟合、

DRT分析等功能l

支持1mA-30A恒电流模式下10kHz-0.01Hz范围内EIS测试，模误差≤1%，相位误差≤1°l

首创的监听模式可实现搭配任意充放电设备的动态EIS测量模组EIS测量系统单通道EIS测量系统独立多通道EIS测量系统天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究13EIS数据维度高-Z,,

•

不同频率阻抗•

阻抗实部、虚部•

阻抗模、相角

Z,模型和数据融合驱动：l

机器学习方法l

半机理半经验模型寿命和安全特征量建立问题

多因素影响消除问题•

温度影响•

SOC影响

•

SOH影响Z,

•

故障影响湖先进储能技术研究院

天目4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法寿命评估：l

时间常数l

等效电阻安全评估l

阻抗相角（温度）l

阻抗实部（析锂）-Z,,EIS影响因素多天目湖先进储能技术研究院需

求

创

新

思

路究院

天目湖先进储能技术研究问题14l

实现了不同循环工况下均方误差≤1.25%

，最大误差≤2.7%湖先进储能技术研究院

天目4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法（1）基于EIS特征的SOH估计方法l

提出了基于EIS关键特征的SOH估计方法天目湖先进储能技术研究院Jiang

B究院

天目湖先进储能技术研究Wang

X*,etal.

AppliedEnergy,2022,322:

11950215衰退数据电化学阻抗循环圈数增加实现不同SOC下自适应SOH估计用于SOH估计的同质集成学习模型

LSBoost回归树集成估计精度优势显著

不同SOC下实现了SOH的准确估计基于DRT对电化学阻抗进行时间尺度辨识衰退特征提取R3不同衰退特征组合对比湖先进储能技术研究院

天目4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法Y

Zhu,BJiang,J

Zhu,

X

Wang*et

al.

Energy,2023,284:129283.l

提出了基于DRT关键特征的不同SOC下SOH估计方法l

实现了不同循环工况在所有SOC下平均绝对误差≤1.87%

，均方误差≤2.08%（2）基于DRT特征的SOH估计方法R2τC2τC3τC2Y天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究16Fan

W,

Wang

X*,etal.eTransportation,2024,revision4面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法（3）基于EIS估计SOH的迁移学习算法l

提出了利用基于双向长短期记忆网络的容量估计方法，容量检测时间缩短至1.67分钟l

提出了基于特征匹配的迁移学习方法，在基础模型上引入少量数据样本实现90%以上精度提升基于实验室基础模型，引入少量新样本迁移训•

退役NCM电池，

MAPE：

2.33%，

RMSPE：

2.75%•

退役LFP电池，

MAPE：4.12%，

RMSPE：

5.04%湖先进储能技术研究院

天目天目湖先进储能技术研究院究院

天目湖先进储能技术研究174面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法特征阻抗角快速计算特征阻抗角快速计算(

θ

−205

)2−

|

15

(36.3100

,(θ

+1.8840

)2−

|

(

24.6900

,

+23.4700eT

=3.1390×10

e湖先进储能技术研究院

天目（4）基于特征阻抗角的平均温度估计方法l

实现了LFP电池在脉冲工况和NEDC工况下温度估计误差≤0.6℃WangX,etal.Journalof

EnergyStorage,2019,26(12):

1-12.天目湖先进储能技术研究院脉

冲

工况循

环

工况究院

天目湖先进储能技术研究184面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法（5）基于转移阻抗的恒电流充电析锂诊断方法l

揭示了析锂发生时电池传荷相应的（1Hz-100Hz）阻抗有减小的规律l

发明了基于阻抗演变异常识别的恒电