同济大学魏学哲：电池设计和管理需要数字化驱动

近期，在第七届动力电池应用国际峰会(CBIS2022)上，CBIS2022大会主席、同济大学汽车学院教授魏学哲发表了题为《数字技术驱动电池变革》的主题演讲。

魏学哲指出，“当前电池设计需要数字化驱动。”

一方面，电池性能的不断提升需要兼顾正负极材料、电解液、隔膜材料的性能优化和安全保障，但是各种性能指标优化又容易产生互相的矛盾，关系非常复杂，这也是电池升级的瓶颈所在。

另一方面，现在的电池结构发生了很大变化。一是能量密度的提高使电池单体不断增大。二是大容量单体结构复杂，更容易导致温度、压力不均匀性，同时极片面内极化也加剧。三是大容量单体的不一致使得成组一致性问题加重，难以有效管理，影响电池寿命和安全性能。

魏学哲认为，为了满足材料优化的需求，解决电池结构变化所带来的各种问题，电池设计走向数字化是必然需求。

同时，随着电池技术的快速发展，从早期基于标准进行电池设计，以满足容量、循环性能基本要求，已经发展到当前电池性能已基本满足需求，而储能电站、快充、换电等电池应用场景的多元化趋势，需要根据不同的需求从电池底层设计着手，这也使数字化驱动电池设计逐渐受到业内的广泛关注和应用。

“不仅是电池设计层面，电池管理系统同样也有数字化需求。”魏学哲表示。

当前复杂的车用需求为电池管理系统提出更高要求。电池管理系统需要管理成百上千节电池，监控电压、电流、温度、高压系统，预估充放电功率、剩余电量和寿命，实现均衡管理、热管理、充电管理等。

魏学哲指出，“从电池管理系统的演变可以看出，第一代BMS面向电压、电流、温度阈值管理，主要作用是‘维持生存’;第二代BMS面向电量、功率、能量估计管理，‘解决温饱’;第三代BMS则面向寿命和安全评估管理，要保障电池系统‘健康长寿’。”

BMS的迭代使其功能更为复杂和全面，其管理方法也从黑箱、灰箱逐渐迭代到白箱。而白箱需要更精细化的测量，因此数字化成为电池管理系统迭代的根本出路。

基于上述市场需求，魏学哲介绍了电池设计和BMS改良的数字化的基本思路及团队的研发成果，并指出，“最近几年欧盟也提出智能电池概念，这意味着智能化、数字化要深入到电池内部，实现比如在电池老化过程中对压力的测量，对内部温度、电流密度、电位等重要指标的测量。不能简单地假设电流密度、电位、温度都是均匀分布的，这些假设都必须打破，而需要进行数字化测量，并把数据信息传到电池外。”

由此，魏学哲指出，“建模和测量是电池数字化的基础。”他还分享了他们团队就数字化建模、测量、管理等方面在电池变革中的方法学和最新研发进展。

他还强调，从电极机理，到车上电源甚至到云端的数字孪生，必须要打通整个体系，而关键方法就在于数字技术，通过数字化建模、测量和管理，从而实现电池外部无损测量，电池内部深度测量，以及精确状态优化管控，车网互动主动管理。

魏学哲认为，“电池行业将会和机械或者电子行业走同样的路程，前一个阶段主要是以材料技术来驱动，后一个阶段材料技术仍然会是一个主要驱动力，但是与此同时数字技术会成为新的驱动力。在两个驱动力下，数字化将成为电化学电源系统的核心方法论。”