电池故障的产生直接关系到电池本身的应用

1月11日-1月13日，以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛（2019）在北京钓鱼台国宾馆举行。本次论坛以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题，围绕汽车零排放和电动化变革、能源转化及传统能源公司转型、未来交通和出行变革图景、下一代汽车关键技术发展、汽车智能化和网联化趋势、核心供应链培育、汽车生产组织方式变革、国际创新对接、产业政策调整等热点问题进行研讨。

在1月13日下午进行的《主题峰会8：动力电池技术峰会》上，圣地亚哥州立大学教授米春亭发表了主题演讲。

以下是演讲实录：

谢谢欧阳院士的邀请，今天很高兴来到这儿，给大家介绍我们在电池领域做的工作。

我今天两个身份：第一个身份是，我代表圣地亚哥州立大学的教授，如果大家不知道圣地亚哥在什么地方的话，可以了解一下，在美国西南端，和墨西哥交界的地方，这个学校有125年的历史，圣地亚哥是一个非常优美的城市，希望大家有机会可以到这边来参观和考察。第二个身份，我同时也是上海众联能创新能源科技有限公司的创始人之一和公司的CTO，我们公司是致力于动力系统，包括电机、电控和变速箱、电池PACK的生产和应用，我们客户比如说上汽V80动力系统就是我们提供的。。

我做电池是2007年开始，我们当时买了几辆普锐斯，准备把这个汽车改装，在做的过程中间，有一天的车就突然着火了，那个时候我们就致力于电池为什么着火、有没有什么办法可以避免。所以过去十几年时间，主要是致力于这方面的一些工作，大家可能在这方面也听说了，每年全球电动汽车着火的案例可能不低于数千起，这里面有很多都是因为电池本身的问题或者是应用中间的问题，刚才我们也听到王朝阳教授来介绍他的新一代电池，可能将来不需要电池管理系统，我觉得这真的是我们很大的一个诉求，但是目前至少还没有商业化。所以，我们在这方面的工作，其实我是做电池管理系统的，对电池本身电化学这块我是不懂的，我们把电池作为一个黑盒子，这个电池管理有五个方面的内容？除了它对电池单体的，比如电压、电流的监测，SOC的估算，充放电的控制以外，我们还有两个最重要的功能，一个是电池单体的均衡，还有一个是电池的安全，安全的监测和管理。有很多研究电池的专家跟我讲说，其实电池不需要均衡，我觉得说的很有道理，当你电池做得很好的时候确实不需要均衡，我前几年做实验的时候发现，我们在2008年做的大巴车的电池，用了一段时间以后我们把它拆下来做实验的时候就发现，那个电池当时的额定安时大概是80，后来其实那个安时数30—64安时不等，可以看到电池的一致性并不那么能做到，至少目前的技术来说。

电池的安全角度来说，我们是考虑到它还有很多的问题，其实是因为电池本身电化学的原因，到目前为止它还没有完全解决，比如我们电池里面会产生氧气，我们电池里面有很多燃材料，包括锂，包括里面的电解液，还有产生化学反应过程中间产生的各种气体，都是可燃的。

这种电池在使用过程中间比如说出现了过充过放或者内部外部短路，以及在超低温情况下的这种大功率放电的过程中间，可能就会产生电池过热，电池过热中间会产生热量等等。这样实际产生的情况大家看到了，要么就是着火、冒烟、爆炸，这个后果是很难想象的，因为我们电动汽车的行业很可能因为我们电池故障造成的恶性事故、人员伤亡而损害了一个行业的发展。

这个领域里面，我刚刚提到，电池故障的产生实际上是直接关系到电池本身的应用，比如说过充过放，还有非正常的电压电流、低温或者高温，超低温、超高温情况下的使用，就是属于系统的故障，比如说热管理系统的故障或者充放电系统、管理系统的故障等等。这种情况下我们怎么样来去及时的发现这些故障，相当于我们防患于未然，其实这是我们希望做到的工作。

在电池的故障诊断上，实际有好几种方法可以做，这里面牵扯一个问题，你怎么样保证系统的安全可靠。比如说我们大家知道，我们在很多系统里边都会用到这个，当我们拿到一组数据以后，我们通常会认为传感器给我们的读数是对的，我们认为它的目标有了故障。实际上我们在实际的系统里边有两种可能性，一种是系统出现故障，还有一种可能性是传感器本身的故障，这个时候你怎么样来区分是很重要的事情。尤其在汽车领域，不管是电动车还是传统车，我们很多都要求Redundancy，包括我们用两个或者两个以上的传感器、两个以上的CPU等等，但是两个传感器的时候也会有问题，你相信哪一个，所以这个时候可能用三个传感器，在一些机械系统里面，比如一个系统里面只有一个，我们认为没有问题，可以实现，增加的成本不多，如果在电池包里面，至少你的串联会超过七八十个、一百个，如果有时候还有并联，可能会超过数千个电池，是不可能用Redundancy来解决的。

有一个研究，我们实际是解决了Self—redundant的问题，怎么样在不增加硬件成本的情况下达到这么一个检测。我们提出了三个概念，我们传统上有一个电压超过多少是故障、温度超过多少是故障、电流超过多少是故障，通过这个来判断故障，怎么样基于这么一个基础的判断来达到一个比较有效的结果。这里面我们很简单的检测方式，成本也比较低，但是里面重要的问题就是，你怎么样能保证给我的数据是可靠的，如果你给我的数据不可靠，我判断出来的结果就是错误的。作为一个用户来说，我不希望你经常告诉我系统有错，但是后来发现其实系统没有问题，所以这也是很重要的一个方面。

首先我们看一下，比如内部短路，我们内部短路的时候，我们电池内部短路可能是发生在某一个单体或者某几个单体，在一些特定情况下，由于电池本身制造的问题或者其他原因造成的内部短路，这种情况下我们就会出现过热，单体电池因为短路以后造成过热，它的热量又传到了它附近的电池，最后就是整个PACK造成了着火、爆炸、冒烟等等。

我们这里面提出了一个办法，第一个办法就是，我们用Correlation—basedFaultDiagnosis，Correlation比如我们有100个电池，如果电池的温度同步在增加，而且温度增加一样的情况下我们认为电池包是一致的，如果100个电池里面有99个电池比如7秒钟增加35度，这一个单体电池7秒增加70度，我们就认为这个单体电池就是有错误的，就是看大家是不是同步在走，如果不是同步你这个电池就是出了问题，这个办法是基于数学里面一个关联的原理来实现的，我们发现非常有效，尤其检测内部外部短路，还有出现单体过充和过放的情况下是非常有用的。它的好处是不需要增加传感器，它用一个数学的办法，而且它的准确度非常高，但是它对不明显的故障反应不灵敏。

第二个办法，我们是对单体电压的检测，就是提出了Interleaved，也可以理解成是交叉测量的一个原理。大家看到，左边这个图，我们对每个单体电池都在测量一个电压，这种情况下，如果我某一个单体电压的传感器出现错误的情况下，传感器坏了，这个时候你这个单体电压或者测不出来或者测出来的不准，这个时候你可能就会认为整个电池组坏了，比如说测量电压是0的情况下，你可能认为电池产生了内部短路，单体电池的内部或者单体电池外部短路，如果你告诉司机说非常危险了，可能就会造成意外的故障，比如在高速上紧急刹车等等。如果我们能够诊断到电池没有问题，而是传感器出了问题，给这个方式，就有足够的时间来处理系统。

所以我们提出一个用右边的这个图的交叉方法，交叉检测，我们得不到单体电压，我们必须用一个数学的办法算出单体电压，但是这种情况下，如果说传感器出问题和电池出问题，我们算出来的结果是不一样的，所以说任何时候我只要出现一个问题，就可以检测到是传感器出问题、还是电池出问题，我就可以区分告诉驾驶员说，现在你的电池包可能有故障，但是这个故障没有问题可以开回家。就像开普通车在高速公路上发现突然灯亮了，这个时候肯定不会说来一个急刹车停在路边等救援，会说没有问题，开到家，看什么问题，这里达到一个目的。如果我诊断到电池单体出现了短路，我就会告诉驾驶员，对不起，你可能几秒钟之内就会着火，尽快找地方停下来你就会是安全的，所以这个解决了是恶性故障的问题还是其他的问题，这个原理不讲了，我们对这个方法也进行了数学分析和实验验证，是非常有效的。这里面牵扯到，我们电池要重新设计，我们也拿到了专利。

我们对电池除了很极端的故障诊断以外，我们还要经常对它们进行健康状态的检测，我非常钦佩朝阳教授刚才讲的，以后不需要电池管理了，我觉得这是未来的一个终极，但是目前来讲，我们这个电池管理系统是没有办法去掉的，这个过程中间我们对它的电池的健康状态的检测是非常重要的，这个电池健康状态检查，大家可能就通过比如测量它的直流电阻或者测量每次充满电时候的capacity进行检测，这个检测过程中我们就会判断你的电池是健康的还是不健康的，所以这个方面我们其实也进行了一些研究。

Sumary电池管理系统目前是有必要的，而且可以通过一些特殊的方法量减少对硬件的需求，而同时达到对故障诊断，对健康状态的一个估算，来达到这些必要的目的。

最后我想也给大家介绍一下我们这个组在这方面的工作，包括我们的5本跟混合电动汽车、电池无线充电有关的著作，要感谢对我们学校项目支持的公司和政府机构，最后要感谢有关的充电博士、博士后他们做很多工作，所以我才能到这里给大家分享我们的研究成果。