空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)

朱 凱，陳 健，呂桃林，付詩(shī)意，吳 磊，晏莉琴，王 可，解晶瑩

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

航天器進(jìn)入太空后，電源系統(tǒng)的運(yùn)行情況只能依靠遙測(cè)獲取部分信息，難以實(shí)時(shí)地進(jìn)行健康狀態(tài)診斷、異常情況報(bào)警、控制策略?xún)?yōu)化以及系統(tǒng)全生命周期的精準(zhǔn)管理。隨著航天器對(duì)于電源系統(tǒng)越來(lái)越高的要求［1］，電源系統(tǒng)精確化管理的需求越來(lái)越強(qiáng)。

空間電源數(shù)字孿生即現(xiàn)實(shí)空間電源系統(tǒng)實(shí)體的數(shù)字化體現(xiàn)，具有理解、模擬、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制現(xiàn)實(shí)實(shí)體的功能。數(shù)字孿生模型遵循“幾何-物理-行為-規(guī)則”的多維度原則，形成從基礎(chǔ)單元到集成系統(tǒng)的構(gòu)建，多領(lǐng)域、多學(xué)科角度模型融合以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理對(duì)象各領(lǐng)域特征的全面刻畫(huà)［2］。數(shù)字孿生技術(shù)在空間電源領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，通過(guò)構(gòu)建空間電源的數(shù)字孿生模型，結(jié)合智能傳感和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間-地面交互的孿生系統(tǒng)，更好地感知和診斷空間電源系統(tǒng)的狀態(tài)，也可為未來(lái)空間電源的技術(shù)發(fā)展做出指導(dǎo)。

1 空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)的內(nèi)涵

數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)數(shù)字和物理約束，在不直接接觸實(shí)體系統(tǒng)的前提下，完成對(duì)實(shí)體系統(tǒng)“過(guò)去”信息的分析、“現(xiàn)在”信息的診斷以及“未來(lái)”信息的預(yù)測(cè)。在空間電源領(lǐng)域，通過(guò)數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)星載平臺(tái)電源系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)與健康狀態(tài)預(yù)測(cè)，建立長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定的先進(jìn)星載電源系統(tǒng)的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)高性能星載電源的管理技術(shù)，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天上-地面-數(shù)字孿生空間深度融合，是應(yīng)對(duì)高要求空間電源服役需求的發(fā)展方向。

針對(duì)目前空間電源領(lǐng)域的痛點(diǎn)問(wèn)題，上?？臻g電源研究所解晶瑩團(tuán)隊(duì)［3-5］在電源控制、模型構(gòu)建方面積累了大量工作，在電池組均衡和固相擴(kuò)散模型等領(lǐng)域取得多項(xiàng)成果，為數(shù)字孿生模型構(gòu)建提供依據(jù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)尹鴿平團(tuán)隊(duì)［6-7］關(guān)于電池石墨負(fù)極衰減機(jī)理的研究，以及正極材料性能演變的研究也為數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建提供原理基礎(chǔ)。

空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)是由一系列不同的模型構(gòu)建而成。多物理場(chǎng)、多尺度和輕量化等模型，這些模型以極高的保真度模擬電池的特性，通過(guò)多維傳感器獲取空間電源多維信息。結(jié)合目前高速發(fā)展的云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地復(fù)現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)，預(yù)測(cè)電池組的運(yùn)行狀況。通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)高保真獲得電源內(nèi)部信息，在電源荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、健康狀態(tài)（State of Health，SOH）、功率狀態(tài)（State of Power，SOP）的獲得及聯(lián)合估算、電源壽命預(yù)測(cè)、電源可靠性提升等方面將發(fā)揮重要作用。

2 空間電源數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度物理模型

空間電源系統(tǒng)多采用鋰離子電池，為實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能、壽命和可靠性等方面的高效控制與管理，需建立系統(tǒng)的高精準(zhǔn)模型。目前的建模方法主要包括白箱建模（如電化學(xué)模型）、灰箱建模（如等效電路模型）、黑箱建模（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）。其中，電化學(xué)模型［8-9］從電池內(nèi)部的物理化學(xué)過(guò)程出發(fā)，最接近電池的實(shí)際狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的精準(zhǔn)映射。

電化學(xué)模型也可稱(chēng)為準(zhǔn)二維模型（Pseudo-Two-Dimensional，P2D），如圖1 所示。該模型對(duì)電池內(nèi)部的物質(zhì)傳遞過(guò)程、電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程以及不均勻效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是由于模型過(guò)于復(fù)雜，計(jì)算量大，難以解析［10］。

圖1 鋰離子電池準(zhǔn)二維模型［8］Fig.1 P2D model of lithium-ion battery［8］

單粒子模型將準(zhǔn)二維模型中的電極簡(jiǎn)化為2 個(gè)球形顆粒，認(rèn)為電解質(zhì)濃度和液相電勢(shì)保持恒定，電池中無(wú)電解質(zhì)分解等副反應(yīng)，采用固相擴(kuò)散方程和Butler-Volmer 方程完成鋰離子電池的內(nèi)部反應(yīng)數(shù)值化表達(dá)，如圖2 所示。相比而言，單粒子模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，目前已被應(yīng)用至鋰離子電池的SOC 估算之中［11］。這一模型的缺陷在于其缺失電解液動(dòng)力學(xué)的描述，在大倍率充放電的條件下模型的假設(shè)條件不再成立，會(huì)造成較大的誤差。

圖2 鋰離子電池單粒子模型［8］Fig.2 Single particle model of lithium-ion battery［8］

為解決單粒子模型的適應(yīng)性較差問(wèn)題，研究人員致力于從不同場(chǎng)景的需求進(jìn)行準(zhǔn)二維模型的簡(jiǎn)化工作。現(xiàn)有的簡(jiǎn)化方式主要包括幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、固液相擴(kuò)散過(guò)程的簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)算法簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程等方式［8］。為了更好地發(fā)揮準(zhǔn)二維模型架構(gòu)能力，SANCARLOS 課題組［12］探究降階模型和離線處理模式，在保證模型準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上降低時(shí)間成本，提升計(jì)算效率。除此之外，鄧昊等［13］采用多項(xiàng)式近似的方法，從液相濃度、固相表面濃度反應(yīng)電流的計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并將簡(jiǎn)化后的模型應(yīng)用于聯(lián)邦城市行車(chē)規(guī)劃（The Federal Urban Driving Schedule，F(xiàn)UDS）中鋰離子電池的SOC 估計(jì)中。

在準(zhǔn)二維、單粒子等電化學(xué)模型的建立中，電池電化學(xué)反應(yīng)的模擬通常被簡(jiǎn)化成一維的問(wèn)題，而忽略了實(shí)際鋰離子電池內(nèi)部的電流密度、局部濃度、SOC、電勢(shì)等極片面內(nèi)方向不均勻等因素，這導(dǎo)致對(duì)電池實(shí)際內(nèi)部反應(yīng)的模擬始終是欠缺的［14］。鋰離子電池三維模型通常應(yīng)用于電-熱耦合的研究中。通過(guò)幾何模型（包含負(fù)極集流體、負(fù)極、隔膜、正極、正極集流體）、電荷守恒方程、固液相鋰離子守恒方程和控制方程進(jìn)行電化學(xué)模型建立，結(jié)合包含幾何模型和控制方程的傳熱模型，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的電化學(xué)-熱耦合模型的建立，如圖3 所示?；趥鹘y(tǒng)產(chǎn)熱模型，結(jié)合電池內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生的產(chǎn)熱反應(yīng)，可以進(jìn)一步建立空間電源模組實(shí)際工況的熱分布特性，為空間電源散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供精確的指導(dǎo)方案。同時(shí)，通過(guò)產(chǎn)熱模型可以建立鋰離子電池的熱濫用模型，用于仿真、預(yù)測(cè)電池在熱濫用條件下如何達(dá)到熱失控點(diǎn)或者熱失控后電池內(nèi)部的變化［15］。

圖3 鋰離子電池三維電熱耦合模型示意圖［14］Fig.3 3D electro-thermal coupling model of lithium-ion battery［14］

目前，電熱耦合模型已被廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池的性能測(cè)試和研究。熊瑞等［16］和PING 等［17］則采用電熱耦合模型，進(jìn)行了鋰離子電池從正常循環(huán)到熱失控過(guò)程中產(chǎn)熱量、電壓、電流的變化研究，可進(jìn)一步明確熱失控的臨界點(diǎn)和電池的安全使用范圍。梅文昕等［18］、MA 等［19］將力學(xué)引入電池模型，基于電力耦合模型，分析并預(yù)測(cè)了鋰離子電池充放電過(guò)程中電極顆粒的鋰濃度和應(yīng)力，為電池失效提供了一定的臨界參考，對(duì)電池的安全防護(hù)具有一定參考價(jià)值，為電池組層面的力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。

模型的復(fù)雜程度對(duì)其在實(shí)際中的應(yīng)用起著重要的作用，在實(shí)際應(yīng)用中需要一個(gè)能夠快速計(jì)算且易于解析的電池模型。上?？臻g電源研究所對(duì)原有P2D 模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了電池內(nèi)外過(guò)程的直接關(guān)系，構(gòu)建了電池狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)模型的工程化應(yīng)用，并在電池的全生命周期下進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)編制了標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理軟件，用于對(duì)電池的狀態(tài)及壽命進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，如圖4 所示。

圖4 電池?cái)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理軟件Fig.4 Battery data standardization processing software

同時(shí)，課題組結(jié)合等效電路模型計(jì)算量小且便于硬件實(shí)現(xiàn)的特征，對(duì)電化學(xué)模型與等效電路模型進(jìn)行融合，并結(jié)合相關(guān)的優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了電池系統(tǒng)的多狀態(tài)在線聯(lián)合估算，如圖5 所示。

圖5 電池多狀態(tài)聯(lián)合估算Fig.5 Joint estimations of battery under multiple states

2.2 空間狀態(tài)監(jiān)測(cè)新型傳感技術(shù)

在數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)上，空間電源系統(tǒng)配置的傳感器是數(shù)字孿生系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的前線，起到為孿生模型提供感官的作用，通過(guò)電源系統(tǒng)內(nèi)部多維信息傳感器的布置，實(shí)時(shí)獲取電源系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)信息，能夠極大地提高數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性，在獲取的信息與孿生模型不斷迭代優(yōu)化的過(guò)程中逼近對(duì)空間電源的完全映射，從而對(duì)電源的內(nèi)外過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)解析和預(yù)測(cè)，對(duì)決策系統(tǒng)提供準(zhǔn)確可靠的決策依據(jù)。

從供給角度，養(yǎng)老機(jī)構(gòu)供給不足導(dǎo)致供給結(jié)構(gòu)不均衡。不考慮地區(qū)之間的分布不平衡情況，我國(guó)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)床位供給率僅為1.59%，低于發(fā)達(dá)國(guó)家的5%～7%和部分發(fā)展中國(guó)家的2%～3%。此外，高服務(wù)質(zhì)量的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)雖然床位充裕，但價(jià)格高昂，超出了一般老年人的消費(fèi)能力，而福利性的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)價(jià)錢(qián)低廉但床位緊張，導(dǎo)致一位難求。

未來(lái)的空間電源系統(tǒng)要求可以精確把握電源狀態(tài)，包括精準(zhǔn)化SOC 監(jiān)測(cè)、電源服役能力預(yù)測(cè)和電源SOH 壽命預(yù)測(cè)，在復(fù)雜的服役條件下，如高功率脈沖、低溫供電、特殊工況深度放電等供電能力分析，滿足不同工況下電源系統(tǒng)的控制與監(jiān)測(cè)。鋰離子電池壽命與工作溫度、載荷條件、放電深度等工況深度耦合，電池容量變化只是電池內(nèi)部狀態(tài)的宏觀反映，真正揭示電池衰減機(jī)理需要從復(fù)雜的內(nèi)部狀態(tài)著手。歐洲“電池2030+”計(jì)劃明確提出將智能傳感器嵌入到電池系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)電池在空間和時(shí)間維度的分辨監(jiān)控。通過(guò)整合和開(kāi)發(fā)各種傳感技術(shù)在電池中以實(shí)時(shí)傳遞信息（如溫度、壓力、應(yīng)變、電解質(zhì)成分、電極膨脹度和熱流變化等），更好理解和監(jiān)測(cè)電池工作過(guò)程中的物理參數(shù)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的影響，有效解決非完備信息電源狀態(tài)診斷的問(wèn)題。

電池SOC 受到內(nèi)部溫度、服役環(huán)境、電源健康狀態(tài)等因素的影響［20-21］，精準(zhǔn)的SOC 監(jiān)測(cè)需要真實(shí)的電源內(nèi)部信息。以單體鋰離子電池為核心組成的電源系統(tǒng)，在電源SOH 監(jiān)測(cè)中，以往的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)SOC 剩余量作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，然而電源SOH 變化是電池內(nèi)部多維信息變化的結(jié)果，更加科學(xué)判斷電池SOH 需要更加多維的電源內(nèi)部信息。發(fā)展電源內(nèi)部傳感器對(duì)于揭示電源狀態(tài)具有重要意義。

對(duì)于鋰離子電池傳感器的研發(fā)已經(jīng)有多年歷史。鋰離子電池負(fù)極嵌鋰膨脹，可能導(dǎo)致電池變形，破壞了鋰離子電池的結(jié)構(gòu)特性，局部變形有可能導(dǎo)致電極間距增加，影響鋰離子電池性能。西安交通大學(xué)賈書(shū)海團(tuán)隊(duì)［22］基于電池形變與電池衰減的關(guān)聯(lián)特征，將智能光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在電池系統(tǒng)的高效管理中。研發(fā)表貼式增敏型光纖應(yīng)變傳感器如圖6（a）所示，通過(guò)對(duì)電池表面應(yīng)變水平的監(jiān)測(cè)，建立電池應(yīng)變與SOC 和SOH 之間關(guān)系，對(duì)于未來(lái)聯(lián)合監(jiān)測(cè)空間電源系統(tǒng)狀態(tài)將是重要的信息。

在低溫和大倍率條件充電可能導(dǎo)致鋰離子電池負(fù)極析鋰［23］，析鋰引起鋰電池容量和性能衰減，甚至引起嚴(yán)重的熱失控［24］。監(jiān)測(cè)析鋰最有效的方法是在負(fù)極表面布置參比電極，監(jiān)測(cè)負(fù)極表面電勢(shì)［25］，清華大學(xué)歐陽(yáng)明高院士課題組提出參比電極尺寸的優(yōu)化方法，進(jìn)行了參比電極使用條件的討論，如圖6（b）所示，確保參比電極測(cè)量結(jié)果的可靠性，為消除測(cè)量誤差和提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性提供了指導(dǎo)。

對(duì)于鋰離子電池從生產(chǎn)過(guò)程到服役期間，電池內(nèi)部往往伴隨著氣體相關(guān)的演變過(guò)程，在電池不同服役階段，確定電池內(nèi)部產(chǎn)氣特性對(duì)于監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部健康狀態(tài)具有很重要的意義。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的BREZESINSKI 團(tuán)隊(duì)［26］研發(fā)了一款鋰離子電池氣壓傳感器，如圖6（c）所示，通過(guò)監(jiān)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部氣壓特性的改變，判斷鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)氣特性，可以進(jìn)一步研究電極表面固態(tài)電解質(zhì)膜（Solid Electrolyte Interface，SEI）生長(zhǎng)。同時(shí)，鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程伴隨著大量氣體的產(chǎn)生，氣壓傳感器可以作為預(yù)警信號(hào)。

鋰離子電池循環(huán)期間表現(xiàn)明顯的嵌鋰膨脹特性［27］，并且與嵌鋰程度表現(xiàn)相關(guān)性。另外，在鋰離子電池劣化過(guò)程中固態(tài)電解質(zhì)膜SEI生長(zhǎng)［28］，鋰離子電池進(jìn)一步膨脹，所以監(jiān)測(cè)鋰離子電池的膨脹特性，對(duì)于監(jiān)測(cè)鋰離子電池SOH 和荷電狀態(tài)具有很重要的參考價(jià)值。普林斯頓大學(xué)的CANNARELLA［27］驗(yàn)證了應(yīng)力對(duì)于鋰離子電池壽命的影響。在鋰離子電池劣化過(guò)程中，應(yīng)力演變與電池劣化表現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，建立電池性能與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以作為監(jiān)測(cè)電池健康狀態(tài)指標(biāo)［29］，如圖6（d）所示，并且鋰離子電池在經(jīng)歷突變狀況，比如熱失控、大量產(chǎn)氣、析鋰等狀況，可以將應(yīng)力作為監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)迅速預(yù)警。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中添加應(yīng)力項(xiàng)，為孿生模型提供有力的SOC 監(jiān)測(cè)方法和SOH 預(yù)測(cè)手段。

圖6 鋰離子電池新型傳感器Fig.6 New sensors for lithium-ion battery

相比于其他用電系統(tǒng)，空間電源隨著航天器在軌運(yùn)行時(shí)，無(wú)法依靠現(xiàn)有的手段對(duì)電源直接進(jìn)行狀態(tài)診斷，僅能依靠外部遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)此問(wèn)題，上?？臻g電源研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校開(kāi)展了基于多功能新型傳感器及內(nèi)埋傳感器的新式鋰離子電池制備技術(shù)研究，旨在通過(guò)傳感器獲取電池具體、精確的內(nèi)部信息，以進(jìn)一步完善、優(yōu)化空間電源的設(shè)計(jì)和管理。如圖7 所示，在多維傳感器信號(hào)的基礎(chǔ)上建立空間電源數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)空-地-數(shù)字三位一體空間電源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)體系，準(zhǔn)確把握空間電源各項(xiàng)狀態(tài)，并對(duì)空間電源任務(wù)需求和風(fēng)險(xiǎn)提供可靠的決策依據(jù)。

圖7 空間電源傳感器應(yīng)用Fig.7 Application of sensors for space power-sources

2.3 空間電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

由于鋰離子電池老化機(jī)理為非線性關(guān)系，服役過(guò)程電源容量發(fā)生變化，對(duì)于電源管理系統(tǒng)，精確化計(jì)算SOC 和預(yù)測(cè)SOH 具有極大挑戰(zhàn)［34］。智能化電源數(shù)字孿生系統(tǒng)，依托電源內(nèi)埋傳感技術(shù)可以充分收集系統(tǒng)的多維信息。鋰離子電池的性能演變伴隨著復(fù)雜的衰減機(jī)理，如圖8 所示，傳統(tǒng)的電流電壓監(jiān)測(cè)和電池外表面的溫度監(jiān)測(cè)等并不能表現(xiàn)電池真實(shí)的狀態(tài)信息，無(wú)法滿足電源系統(tǒng)的精準(zhǔn)管理。通過(guò)新型傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可以深層次反映電源內(nèi)部狀態(tài)和電源內(nèi)部變化機(jī)理。

圖8 鋰離子電池衰減機(jī)理［35］Fig.8 Degradation mechanism of lithium-ion battery［35］

由于鋰離子電池固有的差異性，通過(guò)傳感器獲取的信息具有很大不同，基于物理模型進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算分析依然有許多挑戰(zhàn)，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度降低，機(jī)器學(xué)習(xí)方法是理想的手段，可以適應(yīng)電池固有的差異性［36］。以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，隨著計(jì)算處理能力的提高人工智能方法將應(yīng)用在電源系統(tǒng)的處理，LI 等［37］發(fā)展電池云數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電池SOC 和SOH 的判定。YAN 等［38］全面總結(jié)了人工智能領(lǐng)域在鋰離子電池研究的應(yīng)用，在精準(zhǔn)預(yù)測(cè)電池SOC 以及電池SOH 方面人工智能將發(fā)揮不可替代的作用，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Arti fi cial Neutral Network，ANN）、支撐向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）［39］、隨機(jī)森林等算法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)電池狀態(tài)。

結(jié)合數(shù)值模型，可形成機(jī)器學(xué)習(xí)模型的樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)，減少機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練時(shí)的數(shù)據(jù)需求?；诂F(xiàn)有的電熱機(jī)理模型生成動(dòng)力電池仿真數(shù)據(jù)，仿真不同溫度下、不同載荷、不同老化狀態(tài)條件組合下的高通量電流、電壓、溫度數(shù)據(jù)作為預(yù)訓(xùn)練集；重點(diǎn)探究電池高溫、低溫等極端條件，低SOC 等傳統(tǒng)模型適應(yīng)性差情況下的電池內(nèi)外部特性演化規(guī)律；基于預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)搭建基礎(chǔ)的電池模型，學(xué)習(xí)電池內(nèi)部參數(shù)、外部電熱特性。然后，依據(jù)現(xiàn)有電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘理論和相關(guān)性分析方法，解析鋰離子電池在不同溫度、放電深度、放電倍率等應(yīng)力變化下的電熱特性變化以及性能衰退過(guò)程中關(guān)鍵特征與性能退化的映射關(guān)系，并據(jù)此對(duì)所搭建的基礎(chǔ)深度網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)。最后確定電池主要工作環(huán)境和負(fù)載的主要組合，利用遷移后的電池模型生成電池內(nèi)外特性仿真結(jié)果并開(kāi)展相關(guān)電池測(cè)試，以仿真誤差對(duì)電池模型進(jìn)行進(jìn)一步修正。

基于新型傳感器的電源系統(tǒng)將產(chǎn)生大量多維數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能技術(shù)，依托數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，將電源內(nèi)部信息，包括溫度場(chǎng)、內(nèi)部應(yīng)力、內(nèi)部氣壓、電勢(shì)、應(yīng)變等，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，將多維數(shù)據(jù)融合在一起，建立監(jiān)測(cè)信息與電池內(nèi)部機(jī)理關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步增強(qiáng)電源系統(tǒng)的深層認(rèn)識(shí)，對(duì)于預(yù)測(cè)電源狀態(tài)很有意義。

3 空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建需要結(jié)合智能傳感、輕量化模型和機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)智能傳感技術(shù)獲取的空間電源實(shí)時(shí)信息，物理模型持續(xù)更新電源狀態(tài)，基于云計(jì)算的人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)，將極大提升數(shù)字孿生系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。在數(shù)字孿生體系內(nèi)，立足拓展系統(tǒng)的自處理能力和響應(yīng)能力，將極大拓寬電源管理系統(tǒng)能力。

空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)通過(guò)電池多維模型和融合數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)，以及實(shí)際電池對(duì)象和虛擬模型的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際電池物理對(duì)象的多維屬性的描述，刻畫(huà)實(shí)際電池物理對(duì)象的實(shí)際行為和狀態(tài)，分析其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間電源的狀態(tài)監(jiān)控、性能仿真、壽命預(yù)測(cè)、決策優(yōu)化等實(shí)際功能服務(wù)和應(yīng)用需求，并在一定程度達(dá)到實(shí)際電池與孿生電池模型的共生?？臻g電源模型是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生功能的重要前提，需要在前述多維、多尺度等模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)空間電源的特點(diǎn)，通過(guò)模型和數(shù)據(jù)的反復(fù)迭代，形成精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化，并在應(yīng)用過(guò)程中形成可交互、可融合、可重構(gòu)、可進(jìn)化的空間電源數(shù)字孿生模型。

空間電源數(shù)字孿生模型不僅是基礎(chǔ)電池模型建模，還需從多維度上通過(guò)模型組裝實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜對(duì)象模型的構(gòu)建，從多角度模型融合以實(shí)現(xiàn)空間電源系統(tǒng)特征的全面刻畫(huà)?？臻g電源數(shù)字孿生模型構(gòu)建體系如圖9 所示，在傳統(tǒng)外部電壓、電流、溫度等信號(hào)的基礎(chǔ)上引入內(nèi)部溫度、應(yīng)力等信號(hào)進(jìn)行空間電源系統(tǒng)數(shù)字孿生建模。為保證空間數(shù)字孿生模型的正確有效，需對(duì)構(gòu)建以及組裝或融合后的模型進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋鲆约翱坍?huà)空間電源系統(tǒng)的狀態(tài)或特征是否正確。若模型驗(yàn)證結(jié)果不滿足需求，則需通過(guò)模型校正使模型更加逼近空間電源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行或使用狀態(tài)，保證模型的精確度。在模型基礎(chǔ)上，發(fā)展的云數(shù)據(jù)系統(tǒng)，集合大量數(shù)據(jù)，降低本地計(jì)算需求，可有效提升機(jī)器學(xué)習(xí)能力。電池?cái)?shù)字孿生作為一個(gè)多學(xué)科的物理系統(tǒng)，在電池系統(tǒng)的多尺度設(shè)計(jì)和智能管理系統(tǒng)中發(fā)揮著變革性作用。YANG 等［40］提出網(wǎng)絡(luò)分層與交互網(wǎng)絡(luò)（Cyber Hierarchy And Interactional Network，CHAIN）概念，CHAIN 結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，分別為多尺度映射、云基模型、多工況控制、健康診斷與健康管理等，以加速產(chǎn)品研發(fā)和智能控制建設(shè)，保證電池全壽命周期的安全性和穩(wěn)定性。

圖9 空間電源數(shù)字孿生模型構(gòu)建體系Fig.9 Construction system of digital twin model for space power-sources

在航天領(lǐng)域，航天器在空間服役期間無(wú)法直接進(jìn)行檢修維護(hù)，因此，空間電源的可靠性要求極高，針對(duì)這一問(wèn)題，發(fā)展空間電源系統(tǒng)的數(shù)字孿生勢(shì)在必行?？臻g電源系統(tǒng)的數(shù)字孿生應(yīng)該由如下幾個(gè)部分構(gòu)成：1）精確物理、數(shù)值模型，用于真實(shí)模擬空間電源系統(tǒng)的內(nèi)部反應(yīng)與外部特性；2）高精度傳感系統(tǒng)，從內(nèi)、外部感知空間電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)；3）聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，基于傳感數(shù)據(jù)的過(guò)去狀態(tài)診斷以及未來(lái)狀態(tài)預(yù)測(cè)；4）智能決策技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空間電源的自主調(diào)整及運(yùn)行策略?xún)?yōu)化。

基于以上架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)空間電源在地面的數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建，如圖10 所示。利用空間電源運(yùn)行的歷史及實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行匹配性評(píng)估和更新；通過(guò)對(duì)地面數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行工況加載等實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)未來(lái)空間電源的使用概況；利用地面數(shù)字孿生模型對(duì)空間電源進(jìn)行故障診斷及制定應(yīng)對(duì)策略等，實(shí)現(xiàn)空間電源系統(tǒng)的精確化管理。

圖10 空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)Fig.10 Digital twin system for space power-sources

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)伴隨著航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)于空間電源系統(tǒng)能力提出更高要求，滿足空間電源多功能供電需求，對(duì)于空間電源技術(shù)研究提出巨大挑戰(zhàn)?；谥悄軅鞲屑夹g(shù)，建立數(shù)字孿生模型，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，構(gòu)建空間電源數(shù)字孿生系統(tǒng)，本著天上-地面-數(shù)字空間一體化原則，實(shí)現(xiàn)空間電源精準(zhǔn)化SOC 監(jiān)測(cè)，在軌SOH 預(yù)測(cè)，多參數(shù)的聯(lián)合估算，針對(duì)不同工況進(jìn)行電源服役能力分析，提升智能化感知能力。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在空間電源領(lǐng)域，最大的挑戰(zhàn)是模型的準(zhǔn)確性、計(jì)算能力和智能化傳感技術(shù)。上海空間電源研究所進(jìn)行了幾十年的空間電源技術(shù)深耕，擁有自主研發(fā)的宇航級(jí)空間電源生產(chǎn)線，以空間電源技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，不斷探索空間電源技術(shù)發(fā)展路線，伴隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，在未來(lái)將空間電源整體過(guò)程納入數(shù)字孿生管理范疇，在空間電源材料的研發(fā)、生產(chǎn)制造、空間電源故障診斷等方面展開(kāi)研究，垂直整合空間電源系統(tǒng)，形成一體化空間電源數(shù)字孿生體系，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提升管理效率，提高系統(tǒng)多維度供電能力的可靠性。