王学远：面向电池寿命和安全管理的电化学阻抗进展_21页_4mb

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

核心内容

本文主要探讨了电化学阻抗谱（EIS）技术在电池管理系统（BMS）中的应用进展，重点围绕如何提升EIS测量效率、实现电池寿命和安全评估，以及在不同应用场景下的技术拓展。研究内容涵盖多谐波信号激励的EIS快速计算方法、集中激励-分布测量式的EIS系统设计、基于EIS的电池寿命和安全无损评估方法，以及未来技术发展方向。

主要观点

• EIS的重要性：EIS是电池内部电极过程特性的重要表征量，能够反映电池的寿命和安全状态。
• 传统EIS的不足：现有BMS在寿命和安全评估方面存在技术短板，需要更高效、更实用的EIS测量方法。
• 多谐波信号激励：相比传统单频率正弦信号激励，多谐波信号（如阶跃、伪随机序列）能够显著缩短测量时间，提高系统兼容性和实用性。
• 集中激励-分布测量系统：该系统设计兼容现有BMS架构，支持高功率激励和高精度分布测量，适用于不同电池规格。
• EIS在寿命和安全评估中的应用：通过提取EIS特征和DRT分析，可实现电池健康状态（SOH）和析锂等故障的准确估计，提升电池管理系统智能化水平。
• 迁移学习算法：基于双向长短期记忆网络（bi-LSTM）的迁移学习方法能够有效提升容量估计精度，减少对新数据的依赖。
• 温度和析锂诊断：利用EIS特征阻抗角和转移阻抗变化规律，可以实现电池温度的无损估计和析锂诊断。

关键信息

1. 基于多谐波信号的宽频EIS快速计算方法

• 问题：单频率正弦信号激励测量时间长、信号处理复杂。
• 创新点：
  • 提出基于阶跃信号的EIS计算方法，测量时间比正弦扫频缩短19%。
  • 提出基于伪随机二进制序列（PRBS）信号的EIS计算方法，测量时间比正弦扫频缩短73.5%。
• 成果：实现了在2A激励下，电压、电流采样频率200Hz时10Hz阻抗测量，模和相角相对误差均≤3%。

2. 集中激励-分布测量式串联电池EIS测量系统

• 问题：分布激励-分布测量系统存在电路单元多、通信链路复杂等问题。
• 创新点：
  • 设计集中激励-分布测量系统，兼容现有BMS架构，适用于宽范围电池规格。
  • 开发基于量产AFE（LTC6804）的EIS测量系统，支持1mA-30A恒电流模式下的宽频EIS测试。
• 成果：实现了高精度阻抗测量，模误差≤1%，相位误差≤1°。

3. 面向寿命和安全无损评估的EIS应用方法

• 问题：EIS数据维度高，影响因素多，难以直接用于寿命和安全评估。
• 创新点：
  • 提出基于EIS关键特征的SOH估计方法，实现不同循环工况下均方误差≤1.25%。
  • 提出基于DRT特征的SOH估计方法，平均绝对误差≤1.87%，均方误差≤2.08%。
  • 提出基于迁移学习的容量估计方法，检测时间缩短至1.67分钟。
  • 提出基于特征阻抗角的平均温度估计方法，误差≤0.6°C。
  • 提出基于转移阻抗的析锂诊断方法，最大误差≤4.5% SOC。
• 成果：在实验室和实际应用中均实现了高精度的SOH、温度和析锂诊断。

4. 技术展望

• 非线性和非稳态技术：未来需研究EIS在电动车辆复杂工况下的非线性和非稳态特性。
• 新型电化学体系应用：拓展EIS技术在钠离子电池、固态电池、燃料电池等新型电池体系中的应用。
• 固定式储能场景应用：探索EIS在固定式储能系统中的实际应用潜力。

结构总结