新型传感器带来多维信息赋能新一代BMS

声明：本文为个人业余时间所写，不代表任何公司组织的立场。图片等直接来自现场拍摄，不用于商业用途，希望得到各位老师&演讲者的支持：）  

续接上集 ：）。一个月前在雄安参加了欧阳明高院士组织的eTransportation期刊的电动交通大会（NESET），整个大会内容范围很广，覆盖了整个交通+能源转型的众多子领域，很值得推荐。  

在这次笔者想再重点介绍一下智能电池这一场。智能电池（电芯）&传感器这一方向在过去几年中一直被提及，已经被多国列入了下一代电池的关键性技术，不过一直以来还感觉学术研究色彩多一些。在笔者在工业界的视角中，这方面的技术可以说是既有意思又有意义，可以把电池技术整体的精细和智能程度提高一个维度，但是之前个人一直感知到的是这些技术离实用还有点遥远。今年以来，笔者已经开始接触到了一些新型传感器的原型，而且在学术界以及企业界里已经看到了试制、预研和示范应用的初步案例，而在这次会议中，更是有一个整体专场来介绍智能电池和下一代BMS，参会后感觉收获很大，因此想在这里与大家分享一下主要的内容和学习体会。  

插图：摘自文章A Roadmap for Transforming Research to Invent the Batteries of the Future Designed within the European Large Scale Research Initiative BATTERY 2030+  

关于智能电池，个人觉得北京理工大学魏中宝老师的介绍在思路框架/背景说明上是比较好的，因此在此重点引用一下。整个智能电池技术的研究背景如下图所示：目前的车用动力电池系统因为技术成熟度、成本控制与系统集成效率等原因，现在只能采集总线电压、温度（还不是每一节电芯）、电流和单体电压这些粗线条的数据，这对于我们目前对于电池技术越来越高的期待明显是不够用的。相信做整车电池数据处理、BMS开发的朋友肯定早就能感受到痛点：“已有的数据太少了，靠它们有些问题的确看不出来发现不了啊”。  

摘自北京理工大学魏中宝老师的报告  

然后清华大学韩雪冰老师的这个图也比较直观：正常热失控——安全上发生问题的过程如下左图所示，现在很多实际使用的温、压、电流传感器也就是在2到3这个阶段重点工作，发出预警。如果能使用由新型传感器带来的更多维度的信息（下右图所示），我们就有可能把分析数据，发出预警信号的可能性提前到1到2阶段甚至更早期。

摘自清华大学韩雪冰老师的报告  

所以，增加更多的可实用的传感器，带来更多的数据维度和数据精细度，以保证电池管理系统（BMS）能利用更多数据来更为智能高效地工作，这就是下一代电池/电池管理系统的发展方向。在这次会议中，笔者主要看到了以下几个主要领域：方形电芯智能顶盖、光纤、车载EIS、声音传感器等方向。也会在下面的部分相应地分享信息和介绍自己的观点，抛砖引玉，欢迎大家讨论。  

一、方形电芯智能顶盖——多种传感器植入电芯  

在这里重点介绍一下北京理工大学陈浩森老师这里的工作。方形电芯较大的尺寸，对应顶盖较多的结构和空间利用的可能性使得在这里集成多种传感器成为了可能，让传感器在电芯内部进行侵入式检测，获得的信号更为准确、快速。从传感器的形貌上来说，节约空间的薄膜型和长线型都是可以的方向；而从传感器的功能上来看，电位传感器（探测负极析锂）、压力传感器（感知内部应力应变），甚至是光纤传感器（功能可以很多，见下文部分），都是可以的选项。而且大家还要考虑到，方形电芯的顶盖上本身就已经集成入了大量的功能（主要是安全相关的等），而与这些传感器进行联动，其实还可以带来更多有意思的创新组合，在这里应该是很有创新空间的。  

题外话：也许这也是方形电芯的一大优势所在。小圆柱方面体积太有限，想整合太多传感器有点难，大圆柱46XY似乎在这里更有潜力（其实大圆柱和方形很多方面挺像的）。

摘自北京理工大学陈浩森老师的报告  

不仅如此，他们还开发了相应的信号传输用芯片，可以实现传感器得到信息信号的跨屏蔽实时监控报警功能，并且具有低功耗的特点。初步的原型硬件已经开始了小规模的示范研究使用，在成本、功耗方面他们认为实用化的前景还是非常乐观的。  

以上利用智能顶盖得到的更多维度的信息不仅可以用于新一代BMS的开发，更可以在目前正在大力发展的电池仿真建模/数字孪生方面提供更为全面的信息支撑，可以让仿真模型的精密、详细、准确程度再上一个台阶。这个方面的工作也是在这次会议的很多老师的报告中都有所提及。  

二、光纤传感器——电芯内外都能用，可以获取多维度信息  

在这里主要可以参考华中科技大学黄云辉/于逸飞老师的工作。大家可以看到，光纤也是非常强力的传感器，对于体积、应变、温度电解液成分都有表征的能力，根据实际需求也可以选择侵入式植入电芯内部或者置于电芯表面，从而对电芯不同位置的精细信息进行捕捉。  

摘自华中科技大学黄云辉老师的报告  

光纤传感器可以置于电芯内部，检测出电芯内部电极材料的应力变化，并更进一步地提供失效和安全预警信号。

摘自华中科技大学黄云辉老师的报告  

还可以置于电芯表面检测原位应变，既可以用于研究使用服役期间的应变变化，更是可以在化成过程中就用来研究电芯更早期“诞生”过程中的详细机理过程。而且可以测量的位点可以很多，对于我们了解全空间尺度上不同位置的具体情况非常有帮助。

摘自华中科技大学于逸飞老师的报告  

三、车载EIS测试用电子电气件——牛刀终于有可能可以上车用了  

EIS可以说是电化学研究中最为常见的强力表征手段（牛刀？），可以获得电池/电化学系统非常精细丰富的信息，翻开电化学研究的文章，几个半圆组成的谱线可以说总是最核心也最常见的内容。然而实验室里对着电芯做各种五花八门的表征与在实际装在车上的电芯里也能做该分析完全是两种难度：实车环境中的空间、供能激励、硬件需求（精度、频率）等全是限制因素。EIS当然好，开发相应的硬件把它嵌入到目前已经有的动力电池电子电气构架中，才是最大的挑战。

摘自北京理工大学魏中宝老师的报告  

在这一方面，北京理工大学魏中宝老师介绍了他们团队的工作进展，即开发了模组级别的激励发生与分配装置，结构易于安装到现有的一般的串联电池组中从而尽量少地改变已有的车用模组/硬件结构设计。在这样的装置支持下，车载EIS测试成为可能，可以实现电芯析锂的非侵入测量（上面方形电芯盖板集成析锂探头这种是侵入式的），并且从这里获得的阻抗、故障信号可以比以前的系统能获得的精度要高一个台阶，对于电池SOC、SOH的分析应该可以提供更有力的支持（比以前那点温度电流电压信号真的是不知道高到哪里去了）。  

四、声传感器——受泄气阀打开的声音控制，原理直观易懂

郑州大学的金阳老师的报告主要聚焦于储能用系统的安全——预警话题，然后他在这里介绍了一个有点意思方向：储能系统一般使用方形电芯，单节电芯温升到一定程度时会打开泄气阀，这个声音恰好可以用于传感检测，为我们的电池系统提供一个预警信号。考虑到温度探头分布没那么密，泄气带来气压在大空间内也可能不会那么快的达到临界值，声音的信号可以说是发生后第一瞬间就可以捕捉，而且特征声音也有利于与其它干扰声音区分开来，可以说是原理简单，方法实用了。对于储能应该是非常适合的，对于动力嘛，可能刚才说的几条硬逻辑的意义会打一下折扣，不过至少还是很值得去研究尝试一下的。

摘自郑州大学金阳老师的报告  

不仅如此，金阳老师还介绍了储能系统使用的多维物理量传感探测装置构建的早期预警系统（EWS），如上图所示包括了极微压传感器、电化学阻抗传感器、声学传感器、光学传感器等，可以说有希望让整个储能系统的智能和安全等级再上一个台阶。  

五、小结：新型传感器带来的多维信息赋能新一代BMS，让未来电池更智能更安全  

摘自同济大学戴海峰教授的报告  

在上面的介绍中，笔者已经对几个方向的智能传感器的应用的亮点和个人观点做了介绍，在这里也就不再详细一一分别回顾了。总体来说，传统动力电池系统的BMS因为硬件条件所限，能提取出的信号维度有限，对电池真实情况的分析研究和鉴定的能力也被限制了，这在安全上带来了一些痛点，也对于我们更为数字化、精细化地构建电池模型去做更深入的分析研究施加了障碍。  

随着可以提供更多信息维度的电池传感器的发展，新一代BMS的发展的先决条件也将被逐渐完善，可以期待未来我们的电池可以有一个更为智能的身体（传感器）以及更为聪明的大脑（BMS），使整个动力电池进化成更新一代的“物种”。