基于云端建立數(shù)字孿生技術(shù)的汽車電池?zé)崾Э胤婪?/h1>
2021-12-13 12:54:42劉江鐸高山汀李皓天張玉龍周玉宏趙樹朋田通
電子元器件與信息技術(shù) 2021年8期
劉江鐸，高山汀，李皓天，張玉龍，周玉宏，趙樹朋，田通
（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛工程系，河北 保定 071000）
0 引言
21世紀(jì)以來(lái)，全球溫度在不斷升高，空氣污染也呈現(xiàn)嚴(yán)峻形勢(shì)，人們對(duì)環(huán)境污染問題也愈加重視。為減少CO2的排放，我國(guó)開始大力發(fā)展電動(dòng)汽車。近幾年，我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)迅速發(fā)展，電動(dòng)汽車正日益普及。但技術(shù)上電動(dòng)汽車還有不太成熟的地方，比如，電動(dòng)汽車的電池?zé)崾Э貑栴}就遲遲不能得到解決。熱失控是指產(chǎn)生熱量的自增強(qiáng)過程導(dǎo)致的技術(shù)設(shè)備過熱。這種過熱通常會(huì)使電池內(nèi)部溫度達(dá)到120℃以上，然后使其ABS外殼軟化，之后引起電池膨脹現(xiàn)象，最后導(dǎo)致設(shè)備損壞，且經(jīng)常引發(fā)火災(zāi)或爆炸。熱失控?cái)U(kuò)展指的是電池組或系統(tǒng)內(nèi)部的某個(gè)電池單元或者電池組中的隔膜等發(fā)生熱失控，并觸發(fā)該電池組單元系統(tǒng)。據(jù)了解，我國(guó)電動(dòng)汽車電池問題引發(fā)的慘案頻頻發(fā)生，其電池自燃、爆炸等問題限制了很多人購(gòu)買電動(dòng)汽車的想法[1-2]。熱失控問題是電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)瓶頸。
1 傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)
汽車電池是由大量的電池經(jīng)過串并聯(lián)形成的電池組，以此滿足汽車動(dòng)力功率和能量需求。成組后的電池是一個(gè)多熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)，由于電池的散熱條件不同，電池溫度場(chǎng)分布會(huì)不一致，這種不一致導(dǎo)致電池內(nèi)阻不一致，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱量不一致，從而進(jìn)一步惡化電池的工作環(huán)境，以至出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，發(fā)生熱失控。
傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)(BMS)，是一種能夠?qū)﹄姵亟M進(jìn)行監(jiān)控和管理的電子裝置。該系統(tǒng)可采集電池組的電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)并運(yùn)用SOC、SOH等算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，進(jìn)而控制電池的充放電過程，防止出現(xiàn)電池過放或過充問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)，提升電池的綜合性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
特斯拉和比亞迪的電池管理系統(tǒng)都是目前性能比較優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)。特斯拉電池管理系統(tǒng)采用主從架構(gòu)設(shè)計(jì)，主控制器(BMU)負(fù)責(zé)高壓檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、高壓互鎖、接觸器控制、對(duì)外部通信等功能。從控制器(BMB)負(fù)責(zé)單體電壓和溫度檢測(cè)，并上報(bào)BMU。特斯拉通過其強(qiáng)大的BMS系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)超過7000節(jié)18650號(hào)電池的一致性管理，達(dá)到高安全性和可靠性目標(biāo)。比亞迪鋰電池管理系統(tǒng)由管理主機(jī)（CPU）、電壓與溫度采集模塊、電流采集模塊和通信接口模塊組成。UPS電池主機(jī)還提供報(bào)警和控制輸出接口，對(duì)過壓、欠壓、高溫、低溫、過流、短路等極限情況進(jìn)行報(bào)警和控制輸出。該系統(tǒng)還提供RS232和CAN總線接口，可在計(jì)算機(jī)上直接讀取磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)上的所有信息[3]。
但從收集到的數(shù)據(jù)來(lái)看，這些電池管理系統(tǒng)存在工作效率較低，管控不及時(shí)且不能提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)警一些潛在危險(xiǎn)等問題，只有在發(fā)生了問題以后才能發(fā)出警報(bào)，難以對(duì)動(dòng)力電池模組進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的管理，也無(wú)法對(duì)動(dòng)力電池模組進(jìn)行全方位監(jiān)控與管理，故而急需找到可以全方位管理控制電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模組的有效方法。
2 基于云端建立數(shù)字孿生技術(shù)與汽車電池?zé)崾Э?/h2>
數(shù)字孿生技術(shù)是近年來(lái)新出現(xiàn)的一種將實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化并以此建立相應(yīng)的物理虛擬模型的技術(shù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們希望研發(fā)出一種能夠真實(shí)反映物體狀況的虛擬模型技術(shù)，再之后人們希望虛體空間中的虛擬事物能與實(shí)體空間中的實(shí)體事物之間具有一定的聯(lián)系，也就是說(shuō)動(dòng)態(tài)實(shí)體與虛擬模型之間可以通過聯(lián)接通道相互傳輸數(shù)據(jù)，于是數(shù)字孿生的概念就成形了。如今，數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)物體的全生命周期監(jiān)測(cè)中。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與范疇還在不斷發(fā)展中，由于數(shù)字孿生技術(shù)引入國(guó)內(nèi)的時(shí)間不長(zhǎng)，相關(guān)技術(shù)研發(fā)才剛剛開始，有關(guān)應(yīng)用目前也是處于初步探索與實(shí)踐環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用雖然極為有限，但是其具有很大的應(yīng)用前景，值得我們?nèi)パ芯亢屯苿?dòng)[4]。
因此，考慮到現(xiàn)在發(fā)展的需求，并根據(jù)現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的程度，筆者團(tuán)隊(duì)提出通過數(shù)字孿生技術(shù)與汽車電池?zé)崾Э剡M(jìn)行相連，此方法由云端大數(shù)據(jù)支撐，其計(jì)算數(shù)據(jù)多，計(jì)算結(jié)果快，準(zhǔn)，能夠提前發(fā)現(xiàn)電池問題，并對(duì)汽車駕駛員進(jìn)行反饋，延長(zhǎng)安全時(shí)間，使其能夠安全離開。
此技術(shù)由云端技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)，通信技術(shù)等技術(shù)為平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)作。每個(gè)汽車電池單元上都裝有監(jiān)測(cè)裝置，其監(jiān)測(cè)裝置不僅僅監(jiān)測(cè)電池電壓、電池溫度，還將監(jiān)測(cè)電池老化程度情況、電解液濃度及離子濃度分布、隔膜孔隙率縮小或遷移情況、固體電解質(zhì)界面膜厚度變化情況、耦合電池?zé)崃壳闆r等各種可能影響熱失控的數(shù)據(jù)，并時(shí)刻將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過通信技術(shù)傳遞到云端。云端運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛擬建模，并不斷更新數(shù)據(jù)改變模型。同時(shí)，云端通過SOC、SOH、SOF、SOP等等在大數(shù)據(jù)技術(shù)下運(yùn)用各種算法進(jìn)行電池包狀態(tài)估計(jì)與預(yù)測(cè)。但此過程由云端大數(shù)據(jù)支持，所需時(shí)間短，盡管所需運(yùn)算量大，但結(jié)果依舊精確、全面，能夠更準(zhǔn)確地反映電池包狀況[5]。上述過程會(huì)同時(shí)持續(xù)且不停息地進(jìn)行，新的數(shù)據(jù)會(huì)不斷輸送到云端，舊的數(shù)據(jù)會(huì)被新數(shù)據(jù)代替，使虛擬模型不斷改變，更加切合原電池模組的狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在不正常范圍時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到并通過已有數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)，如果數(shù)據(jù)已超出所規(guī)定的允許范圍，將立即反饋給車上人員，提醒車上人員離開，避免發(fā)生意外。
但是，此技術(shù)需要依賴于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和良好的云端系統(tǒng)，只有在大量的數(shù)據(jù)和能夠支撐起此運(yùn)算的云端后臺(tái)的基礎(chǔ)上此技術(shù)才可以完美進(jìn)行，數(shù)據(jù)越全面，云端后臺(tái)越完善，其計(jì)算范圍越廣，其計(jì)算結(jié)果越精確，越全面。云端服務(wù)我國(guó)已有比較成熟的技術(shù)，通過大量的數(shù)據(jù)在云端平臺(tái)建立相應(yīng)的物理模型從而進(jìn)行電池狀況的預(yù)測(cè)與估計(jì)。當(dāng)建立起相應(yīng)的云端時(shí)，再通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)等使其能夠運(yùn)行，建模，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組狀況的全面估計(jì)。其次，我們還可以建立相應(yīng)的手機(jī)端APP，我們可以通過此軟件向車主發(fā)送汽車電池狀況，并給出汽車電池所出現(xiàn)的問題以及相應(yīng)的提示，車主也可以通過此軟件對(duì)汽車電池溫度、電池老化狀況等進(jìn)行查看。當(dāng)汽車電池溫度恢復(fù)到正常水平，且在手機(jī)APP顯示汽車電池安全的狀況下，車主可返回駕駛或者根據(jù)所反饋的問題與提示的方法進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的操作[6-7]（詳見圖1）。
圖1 基于云端建立數(shù)字孿生技術(shù)與電池?zé)峁芾?/p>
3 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)汽車電池發(fā)生爆炸時(shí)，時(shí)間往往是短暫的，所以提前發(fā)現(xiàn)預(yù)防熱失控就顯得十分重要。本文將數(shù)字孿生技術(shù)與預(yù)防汽車電池?zé)崾Э叵嘟Y(jié)合，雖然實(shí)現(xiàn)難度較大，所需工作量比較大，但可行性很高，依據(jù)于現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平是完全可以達(dá)到的。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是多種技術(shù)的結(jié)合，相比較于傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)，此方法不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池溫度的監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)每個(gè)電池單元進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測(cè)，然后在云端建模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)可以提前預(yù)測(cè)到問題的出現(xiàn)，更早地發(fā)現(xiàn)問題，提醒車上人員，使其有更多的時(shí)間逃離車輛，保證人員的生命安全。
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汽車電池是由大量的電池經(jīng)過串并聯(lián)形成的電池組，以此滿足汽車動(dòng)力功率和能量需求。成組后的電池是一個(gè)多熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)，由于電池的散熱條件不同，電池溫度場(chǎng)分布會(huì)不一致，這種不一致導(dǎo)致電池內(nèi)阻不一致，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱量不一致，從而進(jìn)一步惡化電池的工作環(huán)境，以至出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，發(fā)生熱失控。
傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)(BMS)，是一種能夠?qū)﹄姵亟M進(jìn)行監(jiān)控和管理的電子裝置。該系統(tǒng)可采集電池組的電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)并運(yùn)用SOC、SOH等算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，進(jìn)而控制電池的充放電過程，防止出現(xiàn)電池過放或過充問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)，提升電池的綜合性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
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但從收集到的數(shù)據(jù)來(lái)看，這些電池管理系統(tǒng)存在工作效率較低，管控不及時(shí)且不能提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)警一些潛在危險(xiǎn)等問題，只有在發(fā)生了問題以后才能發(fā)出警報(bào)，難以對(duì)動(dòng)力電池模組進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的管理，也無(wú)法對(duì)動(dòng)力電池模組進(jìn)行全方位監(jiān)控與管理，故而急需找到可以全方位管理控制電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模組的有效方法。
2 基于云端建立數(shù)字孿生技術(shù)與汽車電池?zé)崾Э?/h2>
數(shù)字孿生技術(shù)是近年來(lái)新出現(xiàn)的一種將實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化并以此建立相應(yīng)的物理虛擬模型的技術(shù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們希望研發(fā)出一種能夠真實(shí)反映物體狀況的虛擬模型技術(shù)，再之后人們希望虛體空間中的虛擬事物能與實(shí)體空間中的實(shí)體事物之間具有一定的聯(lián)系，也就是說(shuō)動(dòng)態(tài)實(shí)體與虛擬模型之間可以通過聯(lián)接通道相互傳輸數(shù)據(jù)，于是數(shù)字孿生的概念就成形了。如今，數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)物體的全生命周期監(jiān)測(cè)中。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與范疇還在不斷發(fā)展中，由于數(shù)字孿生技術(shù)引入國(guó)內(nèi)的時(shí)間不長(zhǎng)，相關(guān)技術(shù)研發(fā)才剛剛開始，有關(guān)應(yīng)用目前也是處于初步探索與實(shí)踐環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用雖然極為有限，但是其具有很大的應(yīng)用前景，值得我們?nèi)パ芯亢屯苿?dòng)[4]。
因此，考慮到現(xiàn)在發(fā)展的需求，并根據(jù)現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的程度，筆者團(tuán)隊(duì)提出通過數(shù)字孿生技術(shù)與汽車電池?zé)崾Э剡M(jìn)行相連，此方法由云端大數(shù)據(jù)支撐，其計(jì)算數(shù)據(jù)多，計(jì)算結(jié)果快，準(zhǔn)，能夠提前發(fā)現(xiàn)電池問題，并對(duì)汽車駕駛員進(jìn)行反饋，延長(zhǎng)安全時(shí)間，使其能夠安全離開。
此技術(shù)由云端技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)，通信技術(shù)等技術(shù)為平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)作。每個(gè)汽車電池單元上都裝有監(jiān)測(cè)裝置，其監(jiān)測(cè)裝置不僅僅監(jiān)測(cè)電池電壓、電池溫度，還將監(jiān)測(cè)電池老化程度情況、電解液濃度及離子濃度分布、隔膜孔隙率縮小或遷移情況、固體電解質(zhì)界面膜厚度變化情況、耦合電池?zé)崃壳闆r等各種可能影響熱失控的數(shù)據(jù)，并時(shí)刻將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過通信技術(shù)傳遞到云端。云端運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛擬建模，并不斷更新數(shù)據(jù)改變模型。同時(shí)，云端通過SOC、SOH、SOF、SOP等等在大數(shù)據(jù)技術(shù)下運(yùn)用各種算法進(jìn)行電池包狀態(tài)估計(jì)與預(yù)測(cè)。但此過程由云端大數(shù)據(jù)支持，所需時(shí)間短，盡管所需運(yùn)算量大，但結(jié)果依舊精確、全面，能夠更準(zhǔn)確地反映電池包狀況[5]。上述過程會(huì)同時(shí)持續(xù)且不停息地進(jìn)行，新的數(shù)據(jù)會(huì)不斷輸送到云端，舊的數(shù)據(jù)會(huì)被新數(shù)據(jù)代替，使虛擬模型不斷改變，更加切合原電池模組的狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在不正常范圍時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到并通過已有數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)，如果數(shù)據(jù)已超出所規(guī)定的允許范圍，將立即反饋給車上人員，提醒車上人員離開，避免發(fā)生意外。
但是，此技術(shù)需要依賴于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和良好的云端系統(tǒng)，只有在大量的數(shù)據(jù)和能夠支撐起此運(yùn)算的云端后臺(tái)的基礎(chǔ)上此技術(shù)才可以完美進(jìn)行，數(shù)據(jù)越全面，云端后臺(tái)越完善，其計(jì)算范圍越廣，其計(jì)算結(jié)果越精確，越全面。云端服務(wù)我國(guó)已有比較成熟的技術(shù)，通過大量的數(shù)據(jù)在云端平臺(tái)建立相應(yīng)的物理模型從而進(jìn)行電池狀況的預(yù)測(cè)與估計(jì)。當(dāng)建立起相應(yīng)的云端時(shí)，再通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)等使其能夠運(yùn)行，建模，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組狀況的全面估計(jì)。其次，我們還可以建立相應(yīng)的手機(jī)端APP，我們可以通過此軟件向車主發(fā)送汽車電池狀況，并給出汽車電池所出現(xiàn)的問題以及相應(yīng)的提示，車主也可以通過此軟件對(duì)汽車電池溫度、電池老化狀況等進(jìn)行查看。當(dāng)汽車電池溫度恢復(fù)到正常水平，且在手機(jī)APP顯示汽車電池安全的狀況下，車主可返回駕駛或者根據(jù)所反饋的問題與提示的方法進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的操作[6-7]（詳見圖1）。
圖1 基于云端建立數(shù)字孿生技術(shù)與電池?zé)峁芾?/p>
3 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)汽車電池發(fā)生爆炸時(shí)，時(shí)間往往是短暫的，所以提前發(fā)現(xiàn)預(yù)防熱失控就顯得十分重要。本文將數(shù)字孿生技術(shù)與預(yù)防汽車電池?zé)崾Э叵嘟Y(jié)合，雖然實(shí)現(xiàn)難度較大，所需工作量比較大，但可行性很高，依據(jù)于現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平是完全可以達(dá)到的。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是多種技術(shù)的結(jié)合，相比較于傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)，此方法不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池溫度的監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)每個(gè)電池單元進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測(cè)，然后在云端建模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)可以提前預(yù)測(cè)到問題的出現(xiàn)，更早地發(fā)現(xiàn)問題，提醒車上人員，使其有更多的時(shí)間逃離車輛，保證人員的生命安全。
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