锂离子电池组寿命衰退的系统动力学机理研究

Large-scale electric energy storage using Lithium-ion batteries depend upon battery packs. Unfortunately, life of a battery pack is always far shorter than that of a single cell. Hence, by designing accelerated battery pack life tests, establishing battery pack models and understanding single cell aging mechanisms, this project intends to focus on the battery pack aging mechanisms. Firstly, through the establishment of frequency division battery pack models for state estimation, battery packs can be modelled in decoupled frequency domains. The frequency division battery pack models are expected to quickly and accurately estimate the states of the battery packs which would support the investigation of battery pack aging mechanisms. Secondly, the unique factors of pack aging that is different from single cell capacity fade are studied. Battery pack aging processes and mechanisms are investigated from a new perspective of two-dimensional aging mechanism. System dynamics battery pack aging mechanism is to be explored with respected to the low frequency interactions of the cell variations and pack durability. Reasons why life of a battery pack is shorter are expected to be discovered with detail battery pack aging mechanisms. Finally, based on battery pack aging mechanism, the influences of the manufacturing quality on different battery pack configurations will be discussed. The findings will enrich the theoretical understanding of battery pack aging mechanisms and are expected to provide theoretical guidance for the design of single cells and battery pack construction from the perspective of improving battery pack life.

利用锂电池进行大规模的电能存储必须依赖电池成组，然而电池组的寿命却远小于单体寿命。针对电池组寿命快速衰退的问题，本项目拟围绕电池组系统寿命衰退机理，通过电池组加速寿命实验设计，结合电池组建模和单体寿命衰退机理开展研究工作。首先，通过建立面向状态估计的电池组分频模型实现电池组建模的频率解耦，有望精确快速估计电池组及组内单体状态，支持电池组寿命衰退机理的辨识研究。其次，研究电池组区别于单体寿命衰退的特征影响因素，从寿命二维衰退的新角度研究电池组寿命的衰退过程，探索电池组一致性和耐久性低频交互耦合作用机制下的系统动力学寿命衰退机理，有望深入了解电池组寿命衰退机理，回答电池组寿命远小于单体寿命的原因。最后，基于电池组寿命衰退机理，研究单体制造差异对不同电池组构型的寿命影响。研究结果将丰富电池组寿命衰退机理的理论认识，同时可从提高电池组寿命的角度提出电池单体的设计方向并指导电池组的成组设计。

电动汽车和储能大量依赖电池组，电池组并不是电池单体的简单放大，实践表明电池组的寿命远小于单体寿命。然而目前电池组的研究缺乏电池成组的理论体系，主要以工程应用为主。本项目针对电池组寿命快速衰退的问题，围绕电池组系统衰退机理，结合电池组和单体寿命衰退机理、建模和状态估计开展一系列的研究工作。本研究有助于丰富电池组寿命衰退机理的理论认识，同时可从提高电池组寿命的角度指导电池组的成组设计。.经过项目预研和三年持续研究，本项目发展了基于电池组分频模型的电池组状态估计，进一步研究了电池组二维寿命衰退机理及其影响过程，实现了电池组故障诊断的相关研究。.首先，本项目建立海量电池组数据的可分析性方法，研究了最优采样频率和数据同步方法，为电池组建模和分析提供可靠数据保障。其次，项目进一步发展了基于电池组分频模型的电池组状态估计方法，进行了基于分频模型的SOC估计及SOC估计精度的研究。再次，本项目提出电池组二维寿命衰退机理，指出电池组寿命衰减取决于电池单体容量损失和负极锂离子损失的共同作用，从而解释电池组寿命小于电池单体的原因，项目进一步分析了电池组寿命的影响因素及影响过程，指出库伦效率差异、温度差异和自放电差异是电池组特有的主导影响因素。最后，实现了基于分频模型的电池组微短路故障诊断和梯次利用电池快速分选和重组的应用研究。.在本项目研究过程中，共发表以项目负责人为第一或通讯作者且标注有项目号的论文22篇，其中SCI论文12篇，国内期刊论文8篇，国际会议论文2篇。其中两篇SCI论文入选高被引论文。项目资助期间申请国家发明专利29项，获得授权2项。项目负责人多次出席国际国内会议。在本项目的支持下，项目负责人的相关扩展研究获得上海市教育委员会“晨光计划”的资助。2018年，项目负责人以本项目为基础的进一步研究内容，在同一领域的申请代码下获得了自然基金面上项目的连续支持。