同濟大學魏學哲：電池設計和管理需要數字化驅動
近期，在第七屆動力電池應用國際峰會(CBIS2022)上，CBIS2022大會主席、同濟大學汽車學院教授魏學哲發表了題為《數字技術驅動電池變革》的主題演講。
魏學哲指出，“當前電池設計需要數字化驅動。”
一方面，電池性能的不斷提升需要兼顧正負極材料、電解液、隔膜材料的性能優化和安全保障，但是各種性能指標優化又容易產生互相的矛盾，關系非常復雜，這也是電池升級的瓶頸所在。
另一方面，現在的電池結構發生了很大變化。一是能量密度的提高使電池單體不斷增大。二是大容量單體結構復雜，更容易導致溫度、壓力不均勻性，同時極片面內極化也加劇。三是大容量單體的不一致使得成組一致性問題加重，難以有效管理，影響電池壽命和安全性能。
魏學哲認為，為了滿足材料優化的需求，解決電池結構變化所帶來的各種問題，電池設計走向數字化是必然需求。
同時，隨著電池技術的快速發展，從早期基于標準進行電池設計，以滿足容量、循環性能基本要求，已經發展到當前電池性能已基本滿足需求，而儲能電站、快充、換電等電池應用場景的多元化趨勢，需要根據不同的需求從電池底層設計著手，這也使數字化驅動電池設計逐漸受到業內的廣泛關注和應用。
“不僅是電池設計層面，電池管理系統同樣也有數字化需求。”魏學哲表示。
當前復雜的車用需求為電池管理系統提出更高要求。電池管理系統需要管理成百上千節電池，監控電壓、電流、溫度、高壓系統，預估充放電功率、剩余電量和壽命，實現均衡管理、熱管理、充電管理等。
魏學哲指出，“從電池管理系統的演變可以看出，第一代BMS面向電壓、電流、溫度閾值管理，主要作用是‘維持生存’;第二代BMS面向電量、功率、能量估計管理，‘解決溫飽’;第三代BMS則面向壽命和安全評估管理，要保障電池系統‘健康長壽’。”
BMS的迭代使其功能更為復雜和全面，其管理方法也從黑箱、灰箱逐漸迭代到白箱。而白箱需要更精細化的測量，因此數字化成為電池管理系統迭代的根本出路。
基于上述市場需求，魏學哲介紹了電池設計和BMS改良的數字化的基本思路及團隊的研發成果，并指出，“最近幾年歐盟也提出智能電池概念，這意味著智能化、數字化要深入到電池內部，實現比如在電池老化過程中對壓力的測量，對內部溫度、電流密度、電位等重要指標的測量。不能簡單地假設電流密度、電位、溫度都是均勻分布的，這些假設都必須打破，而需要進行數字化測量，并把數據信息傳到電池外。”
由此，魏學哲指出，“建模和測量是電池數字化的基礎。”他還分享了他們團隊就數字化建模、測量、管理等方面在電池變革中的方法學和最新研發進展。
他還強調，從電極機理，到車上電源甚至到云端的數字孿生，必須要打通整個體系，而關鍵方法就在于數字技術，通過數字化建模、測量和管理，從而實現電池外部無損測量，電池內部深度測量，以及精確狀態優化管控，車網互動主動管理。
魏學哲認為，“電池行業將會和機械或者電子行業走同樣的路程，前一個階段主要是以材料技術來驅動，后一個階段材料技術仍然會是一個主要驅動力，但是與此同時數字技術會成為新的驅動力。在兩個驅動力下，數字化將成為電化學電源系統的核心方法論。”
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