朱 凱,陳 健,呂桃林,付詩(shī)意,吳 磊,晏莉琴,王 可,解晶瑩
(上海空間電源研究所,上海 200245)
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、控制策略優(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)越來越高的要求[1],電源系統(tǒng)精確化管理的需求越來越強(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[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),也可為未來空間電源的技術(shù)發(fā)展做出指導(dǎo)。
數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以通過數(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)“過去”信息的分析、“現(xiàn)在”信息的診斷以及“未來”信息的預(yù)測(cè)。在空間電源領(lǐng)域,通過數(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)問題,上海空間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。
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)傳遞過程、電荷轉(zhuǎn)移過程、電化學(xué)反應(yīng)過程以及不均勻效應(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?,F(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)散過程的簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)算法簡(jiǎn)化計(jì)算過程等方式[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。上海空間電源研究所對(duì)原有P2D 模型進(jìn)行改進(jìn),建立了電池內(nèi)外過程的直接關(guān)系,構(gòu)建了電池狀態(tài)的無損檢測(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
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)錢低廉但床位緊張,導(dǎo)致一位難求。
未來的空間電源系統(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。通過整合和開發(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)電池工作過程中的物理參數(shù)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)過程的影響,有效解決非完備信息電源狀態(tài)診斷的問題。
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^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)此問題,上??臻g電源研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校開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
由于鋰離子電池老化機(jī)理為非線性關(guān)系,服役過程電源容量發(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,無法滿足電源系統(tǒng)的精準(zhǔn)管理。通過新型傳感器數(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。基于現(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。
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??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兔枋鲆约翱坍嬁臻g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)的過去狀態(tài)診斷以及未來狀態(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)行策略優(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
未來伴隨著航天領(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)。基于智能傳感技術(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??臻g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,在未來將空間電源整體過程納入數(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。