2020中國汽車工程學會年會暨展覽會（SAECCE 2020）於2020年10月27-29日在嘉定上海國際汽車城-上海汽車會展中心舉辦，匯聚汽車及相關行業的企業高層、技術領軍人物、資深專家學者、廣大科技工作者。10月29日，同濟大學汽車學院教授魏學哲在本次大會上發表了主旨演講。
以下為演講實錄：
電池管理的劃分分成幾代，第一代是監控，後續大家做了很多算法，特別是基於等效電路模型，兩節的為主，在兩節的基礎上也會有一些變種，包括從線性到非線性的做了很多算法，在ICOC的基礎上又做了一些其他的算法，包括SOH和SOP或者SOX。現在來看還是有很多的問題，包括安全問題，壽命問題，這些問題其實就是在原來的整個這一代的框架上提的有些問題還不是很容易解決。自然大家就會想有什麼辦法呢，兩個基本的思路，一個是往上看，一個是往下看，往上看就看到了雲端，雲計算或者大數據的概念是希望藉助於數據來解決問題。在大數據的賦能之下，算力可以做到遊刃有餘，信息可以做到融會貫通，特別是充電樁的數據到電池的全生命周期的數據，到二次梯次利用甚至到最後的回收，能夠把數據鏈貫通。
雲管理的優勢，反過來講數據也是目前的瓶頸，數據怎麼產生，數據怎麼傳輸，數據屬於誰，數據最後是以時間樣的方式來利用。這些數據做電池管理說實在的是遠遠不夠，特別是要來解決一些安全問題或者壽命問題，差不多有點隔靴搔癢的問題。所以數據問題是一個基礎，現在的數據差不多相當於中醫，望聞問切，要來解決問題，甚至有些連這個也不做就能給人開藥，還特別有信心的在給人開藥。我們做科學的不能以這樣的思路來做事情，醫學的發展大家知道是檢測技術在背後做支撐，從早期的測測溫度，測測心率，聽診器聽一聽，到現在到科學級別，到DNA級別，分子級別，這是一個逐步加深的過程。如果我們不能更多的數據，其實所有的算法都是無源之水。
我們知道阻抗是鋰離子電池的一個重要的參數，阻抗說白了就是電子也好或者是離子也好，帶電的這麼一個過程當中受到的阻力稱之為是阻抗，當然阻抗有很多的表達方式，既可以從機理說來理解它，比如說在不同的區域不同的環節受到的阻力，也可以從輸入輸出關係來看，輸入激勵和響應之間的關係來解剖它。之前講的電路模型也是這個思路，只是說我們在那個思路上為了更容易的工程實現，我們把它簡化了一下簡化成幾個RC環節，想把它搞複雜一點可以寫一堆的擴散方程來表達它，這個方法挺好，但是問題在於需要的參數太多，而且這些參數也不知道，上百個參數裡面能夠準確測量的參數就幾個或者十幾個，所以這樣一個方式導致的結果就是看起來方程寫得眼花心亂，最後結果用一些外特性來驗證，所以從方法論上來講是存在比較大的本質的缺陷，當然如果我們能夠在內部，剛才也談到在原位測量上有一些進步的話，這個方法我認為還是很有前途的，所以原位測量上也是我們目前關注的一個重點領域。
從工程上來看，從阻抗的角度來解析的話，其實還能夠挖出來不少的東西，這是我們用ES來看這件事情，對一個電池做ES的分析，我們大致上可以分成幾個段，包括高頻的、中高頻的低頻段，這是幾個區域，比較重要的其實是這幾個區域，超高頻的或者是電感造成的其實關係不是特別大。
有了這樣一個基本概念，阻抗畫出來很容易，或者做電化學工作站，就是把這樣一個東西做出來，但是我們知道電化學工作站是在實驗室裡面是蠻貴的，而且是對單體來做，我們的問題就是車上能不能搞得出來，對於我們搞汽車的人來講，就像我們人一樣，生病了你得跑到醫院去，為什麼要跑到醫院去？因為你家裡沒有這些裝備，過去為什麼醫生可以跑到你家裡面去看病呢？因為他不需要什麼裝備，所以這是一個兩難的問題。
在車上怎麼幹這件事情？需要在獲取方式上做創新，按照剛才講的基本思路，無非就是加一個激勵看它的響應，頻率寬一點，精度高一點，我們對於車上實際的工作做一些分析，其實大部分情況下不需要那麼寬的帶寬，也不需要那麼高的精度，我們在工程上一定可以做一些折中，或者可以把定域進行一定的縮減，進行縮減之後就可以把它做出來，這是我們做的用車載充電機對動力電池產生激勵電流，利用BMS中單體電壓和電流採樣單元測量響應電壓，基於數字鎖相放大器的電池阻抗計算，這是我們實際做的結果，下面幾張圖是對比，用電化學工作站做出來的和車載做的一個對比，比較明顯的到後面會有分叉，在低頻的地方有分叉，對我們來看比較有價值的其實還是在分叉之前，按照目前做的情況我認為工程價值已經是有相當的工程價值了，當然還可以繼續改進，不管是測量精度還是測量的頻率，我認為還可以進一步的改進。
右邊是一些統計的結果，阻抗膜的誤差比較小，阻抗角的誤差，俯值的誤差控制比較好一點，下位的誤差控制稍微差一點，這是一個，我們談的絕對量化。另外一個現在大家知道在汽車上其實是上百個電池在用，在機車上是上百個電池在用，我們除了關心絕對量之外，我們非常關心的問題是相對量，也就是大家來判斷它會不會出問題，或者是不是有安全問題，最主要的是看相對量，相對量也可以用這樣一個辦法來表徵電池阻抗，減少相對量的差異。
這是用充電機來做，我們重新定義充電機來實現這個功能，自然大家會想到用充電機做可以，但是跑的時候怎麼行，用運行過程中的數據來做這件事情，我們知道電池充電是一個相對安靜的環境，特別是用OBC做慢充的時候電流比較小，這相對來講是一個準穩態的情況，ES測量實際上是有條件的，ES測量是要求滿足線性的條件，也就是要是一個穩態，對於數字電池來講，因為阻抗很小，所以它的範圍會稍微寬一點，可以用它。在實車上這些條件都不滿足，所以阻抗用充電機這個辦法不能做。但是我們知道運行過程當中電流是有變化的，特別是城市工況跑的時候電流是有變化的，既然有變化就可以展開成不同頻率的疊加，其實是有機會用這樣一些變換域的辦法來做這件事情，我們嘗試了兩個辦法，一個是小波的辦法，一個是S變換的辦法來做，用副諧波的信號來做這件事情。過程就不多講了，我們看結果，用時頻分析的辦法來作，用小波變換以及S變換，以及我們用的改進S變換的辦法來做這件事情，都可以實現快速的ES的變換，特別是S變換，和改進後的S變換，在保證精度的同時保證計算的結果。我們對照一下做ES，做小波，做標準的S變換，我們加的激勵比較特殊，這是一個比較特殊的模型，如果不是這樣的模型算的結果也會有一些差異，特別特一點，還是和工況相關，如果是在高速公路上勻速跑什麼也做不出來。
阻抗問題反映壽命或者反映其他的東西並不是需要實時測量，一個核心問題就是能不能找到可以用的數據段，可以用的時間窗口，只要把這段截出來就可以了，特別是能算絕對量的時候算絕對量化，不能算絕對量的時候算相對量，所以還是有它的工程價值。
最後談一下應用，我們做的事情就是來做加ES之後來看發現了一個現象，對於不管是LP還是NCM電池，在一定頻率範圍內1—100赫茲範圍內阻抗角對溫度變換非常敏感。還有一個就是對於SOC的變化不敏感，就給我們一個啟示，這段可以用它來表徵電池它的內部溫度，我們做了一些工作，還有一個就是老化，對老化其實也不敏感，對SOC不敏感，對老化不敏感，但是對於溫度敏感，這就是一個敏感參數，我們可以用這個東西來做，加上激勵，用不同的變換方式來估計電池內部的溫度以及做測量，估計和測量來做比較，總的來講效果還是不錯，在剛才講的設定條件下誤差可以控制在0.5度，如果這個辦法能夠推廣的話，對於熱失控早期的判斷還會是有幫助的。
剛才談了一個溫度，另外我們看ERS，或者我們得到的阻抗和老化的關係，這是做的一些實驗，時間因素我就不再仔細來解讀這些實驗的數據，我們看統計結果，統計結果其實我們剛才講了，這個阻抗我們可以來做分析，來找它的相關性，我談的是相關性，我們看不同階段的阻抗跟剛才這對數據的數據分析，找它的相關性，相關性的一個結論就是傳荷阻抗對老化最為敏感，所以剛才講到是不是可以用傳荷阻抗來表徵電池的老化情況。總的來講，這邊是我們的數據統計的結果，還是可以用這樣一個傳荷阻抗來表徵它的老化，這是我們在不同老化情況下，傳荷阻抗和容量的相關性，這是我們做的相關分析的結果。
有了這樣一個規律，自然就想到有了傳荷阻抗可以表徵我們剛才講的衰減可以用容量來表徵，可以用阻抗來表徵，容量和阻抗其實不是一回事，各有各的衰減的情況，但是大家知道阻抗好做，阻抗可以在比較短的時間內做出來，但是容量的估計需要的時間就長得多，按照這樣一個相關的規律，其實就提示我們可以先不做容量的估計，或者說容量估計這個事情可以和用阻抗表達的這個事情對照起來一起看，有這樣一個相關性，我們自然就可以來做擬合，用不同的方式。左邊這幾張圖是用不同的方式來做擬合，用二次函數或者是不同的指數函數來擬合它。我們可以評估，用不同的擬合方式，擬合的效果或者擬合的誤差，結論應該是幾種方法都可以用，不同方式在不同的條件下，它的誤差會有一些略有區別。
有了這樣一件事情，我們的邏輯還可以再往前推一段，我知道了現在的情況，我們能不能來做預測，能不能基於這個規律來做預測，這個其實也還是可以來做的，整個算法分兩段，第一段是把擬合的參數給表達出來，不管是用線性的方式還是指數還是雙指數的形式總是有一些參數需要確定，第一段我們先跑一段時間，後面就是用前面收斂的參數來做預測。
既然預測了就要驗證，看預測的結果和實際的結果差得遠不遠，這是實際測的結果，總的來講，大家看誤差的情況，數字其實不用看了，就看這個不同顏色的線的差距，總體來講我們認為從做壽命預測的事情來看，精度應該是在工程上可以的。
最後談談老化的問題，這是大家經常見的一張圖，這個老化我們可以做這樣一些分類，可以做成LLI、CL、LAM不同類型的，從機理上來講是什麼原因造成的。在這個基礎上我們還是回歸到我剛才談的阻抗這件事上，能不能用阻抗來表達這件事情，不同類型的衰減，其實我們用阻抗來表達的話，我們可以用這樣一個式子來表達，是CL、LLI和LAM三種方式，我們拿實際數據來看，在這樣的表達方式下，在電池衰減的時候這幾個量是怎麼變的，這是我們所做的結果。看的很清楚，其實這條線幾乎不怎麼變，也就是CL這條線幾乎不怎麼變，變的比較多的是LLI和LAM，我們把這條線做出來就可以來診斷或者估計老化模式是以什麼方式來進行老化的。
總結，阻抗是鋰離子電池內在的重要參數，和內部的過程緊密相關，對於汽車應用的電池阻抗可以為雲端管理提供一個新的角度，以目前的技術現狀充電時完成阻抗測量已經具備工程華應用的可能。實車的時候跑的一些東西，還有給定條件下，但是條件到底能夠放寬到什麼程度我們還在試。我們需要把新能源和新能源汽車要把這兩件事情打通，打通的話燃料電池和鋰電池這樣一個組合會是未來能源系統的一個基礎，這樣一個阻抗技術應該說在不同的場景裡面都會有廣闊的應用場景。
提問：你們在採樣周期上，在採樣頻率上是多長時間去採樣的？因為獲得的是高頻信息，如果在實際車用過程當中，因為實際採樣大概是1秒鐘，如果是1秒鐘的話會限制ERS的高頻，會不會對這個方法有影響？
魏學哲：大家知道採樣定理如果是需要500赫茲頻率的話至少是1K，實際工程裡面的一般是要5倍以上，所以如果採樣頻率是1秒鐘對幹這件事情是什麼都幹不出來的，1秒不夠。剛才我講的是充電過程當中幹的事情，我們採樣頻率要到K赫茲以上。
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（註：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱，僅作為參考資料，請勿轉載！）