摘要：鋰電池系統(tǒng)是新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分，電池管理技術(shù)對(duì)確保電池系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。從電池系統(tǒng)的模型、狀態(tài)、故障、一致性、熱管理等層面出發(fā)，綜述了鋰電池管理的研究進(jìn)展。在電池模型方面，分析總結(jié)了電池在電、熱、力等特性的建模及高效計(jì)算方法。對(duì)于電池的狀態(tài)估計(jì)，總結(jié)了基于模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及兩者相結(jié)合的狀態(tài)估計(jì)方法以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與電池領(lǐng)域知識(shí)融合框架的未來發(fā)展前景。在電池故障方面，分析了電池系統(tǒng)不同故障特征、類型、觸發(fā)機(jī)制和診斷方法，對(duì)電池系統(tǒng)在早期故障預(yù)警、故障檢測(cè)靈敏度提升等方面進(jìn)行了展望。對(duì)于電池系統(tǒng)的一致性，總結(jié)分析了在均衡拓?fù)浜途獠呗詢蓚€(gè)方面的研究現(xiàn)狀，并對(duì)電池重構(gòu)在均衡、快充、能量利用提升、故障隔離等方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析。在電池?zé)峁芾矸矫妫治隽烁邷乩鋮s以及低溫加熱的方法，并對(duì)熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制策略進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)開發(fā)高效換熱、輕量化以及低能耗的先進(jìn)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了探討。此外，對(duì)電池管理系統(tǒng)的新技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了概述，分析了數(shù)字孿生技術(shù)以及儲(chǔ)能綜合管理在電池系統(tǒng)上的應(yīng)用，為未來電池管理的發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能；電池管理系統(tǒng)；狀態(tài)估計(jì)；電池故障；熱管理

中圖分類號(hào)：TG156"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202410001"文章編號(hào)：0253-987X（2024）10-0001-23

Review of Research Progress in Integrated Management for Energy Storage Lithium Battery Systems

XU Jun1，2， GUO Zhechen1，2， XIE Yanmin1， ZHAO Zixiang1， LIU Zhaohuan1，

LIN Chuanping1，2， WANG Xingzao1，2， HOU Jiayang1，2， SHI Chenwei1，2， MA Ziwei1，

ZHANG Jianchen1，2， LIANG Ying1，2， JIANG Delong2，3， MEI Xuesong1，2

（1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 3. School of Electrical Engineering

and Automation， Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang， Henan 471000， China）

Abstract：Lithium battery systems are essential components of new energy storage systems， and effective battery management technology is critical for ensuring their safe， efficient operation， and extended lifespan. A comprehensive review of recent research progress in the field of battery management is presented， covering various aspects including battery system modeling， state estimation， fault diagnosis， consistency， and thermal management. In terms of battery modeling， efficient computational methods and modeling techniques that encompass electrical， thermal， and mechanical characteristics of batteries are analyzed and summarized. State estimation methods， including model-based， data-driven， and hybrid approaches， are reviewed along with their respective advantages and limitations. The future potential of establishing a framework for the integration of data-driven methodologies with domain-specific battery knowledge is also discussed. The analysis of battery faults encompasses an examination of different fault characteristics， types， triggering mechanisms， and diagnostic methods for battery systems. Furthermore， insights into early fault detection and improved fault detection sensitivity in battery systems are offered. Regarding battery consistency， the research status of balanced topology and balancing strategies is summarized and analyzed. The application of battery reconfiguration for balancing， fast charging， enhanced energy utilization， and fault isolation is discussed and organized. In terms of battery thermal management， various methods for high-temperature cooling and low-temperature heating are explored. A summary of optimization designs and control strategies for thermal management systems is provided， with a focus on the development of advanced， efficient， lightweight， and energy-efficient thermal management systems. Furthermore， an overview of emerging technologies and application scenarios in battery management systems is offered. The utilization of digital twin technology and integrated energy management in battery systems is analyzed， providing valuable references for the future development of battery management practices.

Keywords：energy storage; battery management system; state estimation; battery fault; thermal management

隨著全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，在我國(guó)“雙碳”政策的大背景下，以電動(dòng)車輛為代表的新能源汽車已成為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)［1］，也是“中國(guó)制造2025”的重要發(fā)展領(lǐng)域［2］。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的直接供能裝置，其性能直接影響車輛的運(yùn)行特性。鋰離子電池因其具備高比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及低自放電率而逐漸成為市場(chǎng)的主流。電動(dòng)車輛的快速發(fā)展，對(duì)電池系統(tǒng)提出了高安全、高比能、高壽命、高精度的“四高”要求。電池管理系統(tǒng)（BMS）是電池系統(tǒng)的核心組成部分，在現(xiàn)有電池本體技術(shù)下對(duì)提升電池系統(tǒng)“四高”性能具有不可替代的作用。

近年來，以電池狀態(tài)估計(jì)、性能預(yù)測(cè)、故障診斷、均衡重構(gòu)和熱管理等為核心的電池管理系統(tǒng)的研究成為科研以及產(chǎn)品研發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，寧德時(shí)代、比亞迪等企業(yè)也在不斷升級(jí)其電池管理技術(shù)以提高系統(tǒng)能量密度、運(yùn)行效率和系統(tǒng)安全性，如單體到電池包集成（CTP）和單體到底盤集成（CTP），以及結(jié)合大數(shù)據(jù)的智能管理技術(shù)。國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)從電池建模、BMS設(shè)計(jì)、在線管控等方面開展了大量探索工作，為先進(jìn)電池管理技術(shù)的發(fā)展提供了有益推動(dòng)和參考。

在電池模型方面，相關(guān)研究人員分別從電池的電化學(xué)特性［3］、電特性［4］、熱特性［5］、力特性等對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化和近似描述，并通過降階等方法將其在線運(yùn)用于車載系統(tǒng)中，從而對(duì)電池的實(shí)時(shí)管控進(jìn)行指導(dǎo)。電池的狀態(tài)估計(jì)對(duì)電池管理十分重要，包括荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）以及內(nèi)部溫度等。隨著大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，由于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法良好的通用性和易實(shí)現(xiàn)性，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電池狀態(tài)估計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。隨著新能源汽車存量和儲(chǔ)能電站總體裝機(jī)量的快速攀升，因電池安全造成的事故頻發(fā)。這些電池事故往往難以預(yù)防、難以控制、難以善后，因此如何保障電池系統(tǒng)在復(fù)雜使用環(huán)境下的安全性，提早進(jìn)行精確的故障預(yù)警也是BMS的重要功能和重點(diǎn)研究方向。在電池系統(tǒng)的長(zhǎng)期循環(huán)使用過程中，電池單體之間會(huì)出現(xiàn)一系列差異，這些差異涉及容量、內(nèi)阻和電壓等方面。電池的不一致性隨著時(shí)間的推移會(huì)被進(jìn)一步放大，使得系統(tǒng)性能受到嚴(yán)重影響。高效、穩(wěn)定的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、電路重構(gòu)方案成為了解決系統(tǒng)一致性的重要手段，同時(shí)也是BMS中不可或缺的功能。除此之外，由于鋰離子電池對(duì)溫度敏感度較高，電池的熱問題與使用安全、工作性能和狀態(tài)估計(jì)密切相關(guān)。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為BMS中的子系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)電池溫度狀態(tài)、保障電池安全性和使用性能起到重要作用。以溫度控制、熱失控機(jī)理、熱安全防護(hù)為核心的電池?zé)峁芾硌芯恳殉蔀槟壳把芯康碾y點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

除了以上涉及電動(dòng)車輛傳統(tǒng)的電池管理研究外，電池系統(tǒng)作為電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用于各類儲(chǔ)能設(shè)備中。在微電網(wǎng)的應(yīng)用中，結(jié)合BMS系統(tǒng)開發(fā)具備快速響應(yīng)、轉(zhuǎn)移負(fù)荷、優(yōu)化電力質(zhì)量等功能的新技術(shù)，以提高微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，是目前微電網(wǎng)行業(yè)大力發(fā)展的新能源技術(shù)之一。隨著近年來人工智能、計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)的成熟，數(shù)字孿生（DT）技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展進(jìn)步［6］。學(xué)術(shù)界開展了廣泛深入的研究，提出了一系列理論成果，極大豐富了數(shù)字孿生技術(shù)框架［7］?，F(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)缺少對(duì)電池運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取、處理、存儲(chǔ)能力，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差、利用率低的問題，極大阻礙了電池管理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展［8-9］。將數(shù)字孿生技術(shù)引入電池管理領(lǐng)域，基于先進(jìn)的傳感器采集技術(shù)，耦合高質(zhì)量數(shù)據(jù)與電池多維度模型構(gòu)建電池孿生體，從而在虛擬世界中模擬預(yù)測(cè)電池物理實(shí)體行為，有助于實(shí)現(xiàn)電池全生命周期的實(shí)時(shí)管控。此外，當(dāng)車載動(dòng)力電池低于初始容量的80%時(shí)，難以保證汽車?yán)m(xù)航能力和運(yùn)行安全，電池的快速分容和梯次利用給電池管理增加了新的應(yīng)用空間。

目前一些關(guān)于電池BMS方面的總結(jié)性研究為先進(jìn)電池管理提供了很好的參考，但是難以全面概括電池管理的不同方面，同時(shí)對(duì)近些年新方法和新技術(shù)沒有進(jìn)一步詳細(xì)介紹。為了更加全面且及時(shí)地對(duì)該領(lǐng)域研究進(jìn)行總結(jié)，本文從先進(jìn)電池管理系統(tǒng)的模型、狀態(tài)、故障、一致性、熱管理等方面進(jìn)行了探討分析，并對(duì)鋰電池管理系統(tǒng)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1"電池機(jī)、電、熱建模研究

電池模型是對(duì)電池在運(yùn)行過程中發(fā)生的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等物理過程的抽象描述。精準(zhǔn)的電池模型不僅有助于幫助理解電池內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)理，而且可以在電池設(shè)計(jì)之初模擬電池性能，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以為電池在制造完成后的全生命周期智能管理提供強(qiáng)大的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1.1"電池工作原理分析

鋰離子電池已經(jīng)被證明是當(dāng)今電化學(xué)儲(chǔ)能體系中集高能量密度、長(zhǎng)使用壽命與環(huán)境友好于一體的最佳選擇之一?；镜匿囯x子電池由金屬集流體、電極活性材料、隔膜以及電解質(zhì)組成。在電極活性材料方面，石墨以其較低廉的成本、較高的主體能量密度（372mA·h/g）、較低的工作電位（0.01～0.2V，對(duì)應(yīng)全電池更高的電壓平臺(tái)）以及較小的插層應(yīng)變（對(duì)應(yīng)較好的循環(huán)穩(wěn)定性）成為目前商用鋰離子電池在負(fù)極側(cè)的主要選擇。正極側(cè)主要存在磷酸鐵鋰（LFP）和三元材料兩種技術(shù)路線，前者相對(duì)擁有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和更好的高溫安全性，但存在能量密度低，低溫性能差等問題，因此實(shí)際更多應(yīng)用于大型商用車或大規(guī)模儲(chǔ)能場(chǎng)景；后者則相對(duì)擁有更高的能量密度和更好的低溫性能，但其較差的循環(huán)穩(wěn)定性與較高的熱失控風(fēng)險(xiǎn)仍然是行業(yè)痛點(diǎn)。隔膜是鋰離子電池內(nèi)部提供鋰離子穿梭的唯一通道，同時(shí)亦是阻擋正負(fù)極直接電子導(dǎo)通的重要屏障，目前商用隔膜主要采用聚烯烴微孔材料，包括聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）以及PP/PE復(fù)合3種，成本低并具有良好的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱熔斷性能。電解質(zhì)是正負(fù)電極進(jìn)行鋰離子運(yùn)輸?shù)谋匾h(huán)境條件，雖然固態(tài)電解質(zhì)理論上擁有好的安全性能，且具備與超高能量密度鋰金屬負(fù)極更好的兼容性，但目前仍存在反應(yīng)界面阻抗較大的問題，因此目前商用鋰離子電池仍以浸潤(rùn)性更好的液態(tài)電解質(zhì)為主，且擁有較為成熟的工業(yè)制造體系。金屬集流體幫助電極與電池外極耳構(gòu)建電子導(dǎo)通，考慮到正負(fù)電極的工作電位，為了盡可能防止金屬腐蝕同時(shí)兼顧成本，目前主流石墨負(fù)極的集流體采用銅箔，主流磷酸鐵鋰或三元材料正極采用鋁箔。

如圖1所示，鋰離子電池（lithium ion battery， LIB）在充放電過程中，一方面鋰離子在一側(cè)電極發(fā)生氧化反應(yīng)并由活性材料脫出進(jìn)入到電解液相，而后經(jīng)歷溶劑化過程，再由多孔液相電解液內(nèi)的濃度梯度與電場(chǎng)力雙重驅(qū)動(dòng)下遷移至另一電極，完成去溶劑化后與外電路遷移來的電子發(fā)生還原反應(yīng)并嵌入到固相活性材料中；另一方面，自由電子在一側(cè)電極產(chǎn)生后，會(huì)在電極電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下由導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（一般由活性材料本身和導(dǎo)電劑組成）傳輸至集流體處，而后經(jīng)歷外電路轉(zhuǎn)移到另一側(cè)電極，并與液相遷移來的鋰離子在界面完成反應(yīng)。這個(gè)過程遵循電荷守恒、物質(zhì)守恒與能量守恒，主要伴隨著電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等物理過程，使得鋰離子電池具有典型的非線性、時(shí)變性以及多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的特點(diǎn)。

1.2"電池特性建模

1.2.1"電池電特性建模

（1）電池電化學(xué)模型。

電化學(xué)模型為第一性原理模型，通過一系列的偏微分方程和代數(shù)方程組精確地描述電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)模型中最經(jīng)典的是偽二維（P2D）電化學(xué)模型，如圖2所示。P2D模型滿足質(zhì)量、能量、電荷和電極過程動(dòng)態(tài)守恒。然而，模型中的偏微分方程和大量的電化學(xué)參數(shù)使得求解難度大大增加，不適用于工程實(shí)際應(yīng)用，因此，一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)P2D模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，旨在降低模型的計(jì)算復(fù)雜度［10］。

（2）電池等效電路模型。

等效電路模型是目前鋰離子電池狀態(tài)估計(jì)研究中應(yīng)用最廣泛的電池模型，該模型利用理想的電氣元件描述電池的內(nèi)阻和極化效應(yīng)等，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能夠反映一定的電池內(nèi)部信息，便于進(jìn)行在線的狀態(tài)估計(jì)。根據(jù)模型的階數(shù)，等效電路模型可分為Rint 模型［12］、Thevenin 模型［13］、雙極化（DP）模型［4］等，此外還有一些增加不同電器元件的模型，如 PNGV 模型［14］。在上述模型中，Rint模型結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，僅通過一個(gè)理想電壓源和一個(gè)電阻串聯(lián)而成，但該模型未考慮電池的極化和擴(kuò)散現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，Thevenin模型、DP模型等通過引入電阻和電容（RC）并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模擬電池的極化效應(yīng)。

（3）電池分?jǐn)?shù)階模型。

電化學(xué)阻抗譜（EIS）和伯德圖是分析電池特性和建立電池模型的有效方法。由于標(biāo)準(zhǔn)的RC網(wǎng)絡(luò)不適合在整個(gè)頻率范圍內(nèi)模擬電池的特性，為解決這一問題，可以通過使用常相位角元件（CPEs）代替RC網(wǎng)絡(luò)中的電容器［15］。與等效電路模型對(duì)比，分?jǐn)?shù)階模型可以從電池反應(yīng)機(jī)理層面獲取到大量物理信息，電池端電壓仿真精度高于等效電路模型，但計(jì)算復(fù)雜度也有所增加。

1.2.2"電池?zé)崽匦越?/p>

對(duì)電池溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是安全使用電池的前提。對(duì)于電池單體而言，其溫度的分布是不均勻的，甚至在特定的工況下溫度差異大到不容忽視。在實(shí)際使用過程中，溫度測(cè)量點(diǎn)僅僅表示該處溫度而不能反應(yīng)電池單體的溫度分布情況，因此通過模型來表征電池的溫度分布十分重要。同時(shí)，將電池內(nèi)部的溫度作為冷卻和加熱過程中的指標(biāo)相比于以表面溫度為指標(biāo)的策略來說更加合理且規(guī)范，有利于熱管理系統(tǒng)做出更加合理的管理決策。不同類型鋰電池的典型熱特性模型如圖3所示。

熊瑞等［5］基于以下3個(gè)假設(shè)建立了圓柱形電池的熱模型：①電池內(nèi)部是 一個(gè)均勻的產(chǎn)熱源；②電池沿軸向溫度均勻分布；③熱量?jī)H通過徑向方向向外傳遞。該模型在不同復(fù)雜工況下均可實(shí)現(xiàn)精確的內(nèi)部溫度估計(jì)，估計(jì)誤差基本小于 1℃［5］。與圓柱電池的外形特點(diǎn)不同的是方形電池長(zhǎng)度和寬度方向上的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度方向，電池內(nèi)部溫度與電池表面溫度的差異小于圓柱電池的內(nèi)外部溫度差異。對(duì)于此類電池，熱模型的建立應(yīng)該偏向描述電池表面的溫度分布情況。西安交通大學(xué)徐俊團(tuán)隊(duì)Guo等［16］提出了電池的三熱源模型用于方形電池表面溫度分布的估計(jì)，該熱模型將電池內(nèi)阻分布到電池正極、負(fù)極以及電池中心，將這3個(gè)位置作為熱量產(chǎn)生的點(diǎn)。通過該熱模型可以計(jì)算得到電池表面4個(gè)點(diǎn)的溫度演變，進(jìn)一步通過插值法可較為準(zhǔn)確地估計(jì)電池表面的溫度分布情況。

1.2.3"電池力特性建模

電池系統(tǒng)通常采用堆疊的排布結(jié)構(gòu)并施加一定的電池間預(yù)緊力。電池在使用過程中，鋰離子脫出/嵌入電極、電池溫度變化以及電池老化等均會(huì)誘導(dǎo)電池經(jīng)歷體積與力學(xué)特性變化，進(jìn)而誘導(dǎo)電池間壓力的變遷。研究表明，電池間壓力對(duì)電池系統(tǒng)性能、安全性、熱管理、狀態(tài)估計(jì)、故障診斷等均具有不可忽視的作用。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)于該領(lǐng)域的建模研究仍然處于早期階段，按照其對(duì)力學(xué)機(jī)理的描述程度，可以大致分為力學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型、力學(xué)等效模型以及力學(xué)機(jī)理模型。

（1）電池力學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的力學(xué)數(shù)據(jù)模型一般直接從電池的外部力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)不同工況（初始預(yù)緊力、電池充放電倍率或電池溫度等）下電池在充放電過程中的外部壓力信號(hào)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，而后將外部壓力與工況建立一定的數(shù)學(xué)映射關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池在運(yùn)行過程中的壓力變化預(yù)測(cè)。近年來，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)內(nèi)電池間壓力與電池的SOC以及運(yùn)行工況等息息相關(guān)，因此許多研究建立了簡(jiǎn)潔快速的力學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)定模型用以預(yù)測(cè)電池運(yùn)行過程中的力信號(hào)變遷，在提升電池狀態(tài)的估計(jì)精度與魯棒性方面取得了一定進(jìn)展。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，也有研究通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)電池間壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。Xu等［17］基于最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）方法構(gòu)建了一種電池膨脹力模型，訓(xùn)練模型時(shí)將電池荷電狀態(tài)與充放電倍率作為輸入特征，相應(yīng)的膨脹力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)工況下電池膨脹力的預(yù)測(cè)，如圖4所示。

（2）鋰離子電池力學(xué)等效模型。

鋰離子電池力學(xué)等效模型一般將電池整體視作一個(gè)黏彈性體，利用適當(dāng)?shù)膹椈?、阻尼等力學(xué)集總參數(shù)元件描述電池在內(nèi)部和外部應(yīng)力作用下所表現(xiàn)出的瞬時(shí)彈性、蠕變、應(yīng)力松弛、瞬時(shí)回復(fù)、滯彈性變形等行為。Wang等［18］提出了一種適用于圓柱鋰離子電池的基于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的等效機(jī)械模型，用以模擬電池在機(jī)械濫用場(chǎng)景下的本構(gòu)特性。所提出的等效力學(xué)模型簡(jiǎn)潔地描述了較為精確的本構(gòu)特性，為電池力學(xué)建模和失效分析提供了一種參考方法。西安交通大學(xué)徐俊課題組Jiang等［19］提出了一種可適用于軟包鋰離子電池在堆疊電池系統(tǒng)中正常運(yùn)行過程中力學(xué)特性模擬的等效模型，將電池在充放電過程中的厚度膨脹另外建模為一個(gè)與電池荷電狀態(tài)相關(guān)的恒位移元件串聯(lián)在系統(tǒng)中，該模型具備利用力學(xué)信息進(jìn)行電池狀態(tài)估計(jì)的應(yīng)用價(jià)值。

（3）電池力學(xué)機(jī)理模型。

鋰離子電池力學(xué)機(jī)理模型一般從電池內(nèi)部的單個(gè)組件出發(fā)，研究其各自在外部應(yīng)力下所發(fā)生的微觀、介觀及宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律，此外由于鋰離子電池的固液相共存特性，還需要建立一套流固耦合系統(tǒng)描述其多孔介質(zhì)在電解液浸潤(rùn)環(huán)境下的黏彈性與孔彈性。因此，目前的報(bào)道按照研究對(duì)象不同可以作如下分類。

多孔電極的力學(xué)特性建模。南卡羅來納大學(xué)的Gomadam 和 Weidner等［20］在2006年系統(tǒng)性地提出了一個(gè)三維數(shù)學(xué)模型，用于描述多孔電極在電化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生的體積變化。Rieger等［21］采用多尺度的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)鈷酸鋰電極從活性顆粒到電極厚度的膨脹傳播進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并提出一種基于晶體結(jié)構(gòu)特征預(yù)測(cè)電極膨脹的模型。上述兩種模型均是對(duì)電極在自由膨脹情況下的描述，未考慮存在外部應(yīng)力的情況。

多孔聚合物隔膜的力學(xué)特性建模。Xie等［22］在其各自的工作中均提出了一種基于圖像重建技術(shù)的代表性體積元素建模方法，并通過有限元模擬預(yù)測(cè)了PP隔膜在電解液浸潤(rùn)下的壓縮機(jī)械特性。

金屬集流體力學(xué)特性建模。其他一些研究圍繞電池內(nèi)集流體的彎曲、拉伸或壓縮性能展開。相關(guān)結(jié)論表明，當(dāng)三明治結(jié)構(gòu)（雙面活性涂層+集流體金屬箔）的電極彎曲或拉伸時(shí)，集流體將承受主要的荷載，而在壓縮時(shí)，金屬箔相比于涂層的模量高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)［23］，其機(jī)械特性將不再主導(dǎo)電極的應(yīng)變響應(yīng)。在簡(jiǎn)化建模時(shí)一般而言可將其視作線性彈性固體。

2"電池狀態(tài)估計(jì)與故障診斷

電池系統(tǒng)包含組件數(shù)量多且連接關(guān)系復(fù)雜，同時(shí)電池組串并聯(lián)單體數(shù)量多，電池本身又具有強(qiáng)非線性特征，因此在不同工況下精確的狀態(tài)估計(jì)和故障診斷是極具挑戰(zhàn)性的課題。

2.1"狀態(tài)估計(jì)及研究進(jìn)展

2.1.1"基于模型的電池狀態(tài)估計(jì)方法

（1）電池荷電狀態(tài)估計(jì)。

電池荷電狀態(tài)SOC是用于指示電池短期電量變化情況的重要參數(shù)，一般定義為電池當(dāng)前剩余電量與電池在當(dāng)前最大可放電容量的比值［24］

ξSOC=QrQI×100% （1）

式中： ξSOC為電池當(dāng)前SOC；Qr為電池當(dāng)前剩余容量；QI為電池當(dāng)前最大可用容量。因SOC無法通過測(cè)量直接得出，必須通過能夠測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)雜處理后得到。電池是一個(gè)強(qiáng)非線性和時(shí)變性系統(tǒng)，荷電狀態(tài)估計(jì)易受溫度、充放電倍率等因素的影響，導(dǎo)致很難準(zhǔn)確地估計(jì)SOC。鋰離子電池當(dāng)前SOC估計(jì)的主要方法見圖5。

鋰離子電池SOC的估計(jì)方法包含安時(shí)積分法、開路電壓法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法以及基于模型的方法，其中基于等效電路模型的估計(jì)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)辨識(shí)方便，很適合應(yīng)用于在線SOC估計(jì)?；诘刃щ娐纺Ｐ偷碾姵豐OC估計(jì)的一般框架是將以安時(shí)積分為主的先驗(yàn)估計(jì)與基于模型預(yù)測(cè)電壓的后驗(yàn)估計(jì)相結(jié)合，通過濾波算法完成電流與電壓的信息融合，常見的包括擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）、H∞濾波等［25］。

（2）電池健康狀態(tài)估計(jì)。鋰離子電池健康狀態(tài)SOH反映了電池的老化程度，根據(jù)容量來定義電池健康狀態(tài)表達(dá)如下［26］

ξSOH=CrealCrated×100% （2）

式中：ξSOH為電池當(dāng)前SOH；Creal為電池當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)際測(cè)試容量； Crated為電池初始的標(biāo)稱容量，也是電池的額定容量。SOH估計(jì)方法主要分為基于模型和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩種方法。

應(yīng)用較多的模型包括等效電路模型、電化學(xué)模型和經(jīng)驗(yàn)公式模型。電化學(xué)模型是根據(jù)電池內(nèi)部電化學(xué)過程建立第一性原理方程，然后計(jì)算其精確狀態(tài)，這個(gè)方法的計(jì)算成本很高，難以用于在線應(yīng)用程序?；诘刃щ娐纺Ｐ偷姆椒ǎ米钚《朔椒ńY(jié)合濾波算法更新SOH估計(jì)的模型參數(shù)，該方法計(jì)算量小，可在線使用。Kim等［27］提出了一種新的基于模型的鋰離子電池狀態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，該算法比傳統(tǒng)的基于最小二乘法的參數(shù)估計(jì)方法具有更高的數(shù)值穩(wěn)定性?；跀?shù)學(xué)模型的方法被廣泛應(yīng)用于電池SOH的估計(jì)，該方法的基本思想是擬合容量損失或內(nèi)阻隨時(shí)間或周期的變化。根據(jù)擬合的模型，可以通過時(shí)間或運(yùn)行周期得到SOH。這種方法雖然簡(jiǎn)單，易于在線估計(jì)，但是易受噪聲影響，魯棒性和精度不夠，而且一種電池的擬合曲線通常不適合其他類型的電池。

2.1.2"基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電池狀態(tài)估計(jì)方法

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法試圖從大量數(shù)據(jù)中提取隱藏的相關(guān)性，并在沒有電池模型的情況下實(shí)現(xiàn)SOH估計(jì)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法不需要分析電池內(nèi)部復(fù)雜的退化機(jī)制，在有大量數(shù)據(jù)可用的情況下是可行和實(shí)用的。如圖6所示，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOH估計(jì)方法一般由兩部分組成，即訓(xùn)練過程和估計(jì)過程［28］。

訓(xùn)練過程通常離線執(zhí)行，而估計(jì)過程一般在線實(shí)現(xiàn)。在模型離線訓(xùn)練過程中，應(yīng)首先收集老化數(shù)據(jù)，其次，基于收集的原始數(shù)據(jù)，提取可以表征電池老化的健康特征。這些特征與真實(shí)的SOH值構(gòu)成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。然后，利用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型學(xué)習(xí)并更新權(quán)重和偏差，以擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)。因此，可以使用所建立的ML模型來獲得輸入（即健康特征）和輸出（即SOH）之間的非線性關(guān)系［29］。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOH估計(jì)方法的核心在于健康特征提取、機(jī)器學(xué)習(xí)模型選擇和訓(xùn)練數(shù)據(jù)3個(gè)方面。

健康特征提取是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)估計(jì)電池SOH的關(guān)鍵步驟，特征質(zhì)量在很大程度上決定了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的性能。針對(duì)電池的不同充放電以及測(cè)試狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開發(fā)了大量的健康特征用于電池SOH估計(jì)。增量容量分析（ICA）與差分電壓分析（DVA）憑借其直觀易用的特點(diǎn)以及良好的可解釋性，已成為最典型的特征提取方法。Wang等［30］提取DV曲線中兩個(gè)拐點(diǎn)的位置間隔作為電池SOH評(píng)估指標(biāo)。與電壓曲線相比，IC曲線通常更容易解釋電池老化，因?yàn)镮C曲線上的這些特征對(duì)電池的特定電化學(xué)反應(yīng)非常敏感。這些IC峰已被證明與鋰離子的插層/去插層過程中活性材料的相變現(xiàn)象密切相關(guān)［31］。盡管從IC曲線上提取特征用于SOH估計(jì)是有效的，但仍有許多不足之處。首先，必須設(shè)計(jì)復(fù)雜的濾波算法來平滑原始電壓量測(cè)。其次，IC的峰值位置對(duì)噪聲特別敏感，這進(jìn)一步降低了特征的有效性。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化特征提取操作，部分研究直接提取基于充電時(shí)間相關(guān)的特征來指示電池SOH［32］?；跁r(shí)間的健康特征生成方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。然而，充電或放電過程需要覆蓋特征提取范圍。此外，這種方法對(duì)電流高度敏感，當(dāng)充電電流在循環(huán)過程中發(fā)生變化時(shí)，所建立的模型可能不適用。

除了充電過程外，電流中斷后的電池弛豫過程還包含與電池安全和老化有關(guān)的重要信息。最有價(jià)值的技術(shù)之一是使用弛豫電壓分布的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行析鋰檢測(cè)。此外，電池弛豫電壓與電池老化密切相關(guān)［33］。

除了常規(guī)的充放電測(cè)試，一些研究者試圖通過短時(shí)的脈沖測(cè)試或內(nèi)阻測(cè)試估計(jì)電池SOH。Hoque等［34］發(fā)現(xiàn)，電池的內(nèi)阻動(dòng)態(tài)與電池容量密切相關(guān)，基于此建立了健康估計(jì)模型，并能夠在早期階段確定電池的一致性。Fang等［35］基于歐姆內(nèi)阻與SOH之間的關(guān)系，提出了一種基于雙擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的SOC和SOH聯(lián)合估計(jì)方法。此外，還有一些最近的研究嘗試?yán)酶嗑S度的新穎信號(hào)，如機(jī)械膨脹［36］、機(jī)械振動(dòng)［37］、表面應(yīng)變［38］、超聲信號(hào)［39］等來研究電池老化的方法。這些方法為在線評(píng)估電池健康狀態(tài)提供了新的視角，有助于提高電池SOH估計(jì)的魯棒性。

同時(shí)，基于電動(dòng)汽車實(shí)際使用情況，針對(duì)有標(biāo)簽數(shù)據(jù)少、充電電流和溫度不恒定等問題的研究也逐漸得到了廣泛關(guān)注。

2.1.3"模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的融合的電池狀態(tài)估計(jì)

雖然現(xiàn)有的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法可以達(dá)到令人滿意的估計(jì)精度，但模型的復(fù)雜程度較高，需要大量的計(jì)算資源和高質(zhì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)模型的魯棒性和泛化能力較差。為解決上述問題，一些學(xué)者在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法中納入電池領(lǐng)域知識(shí)，將濾波算法、電池模型等同數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)合起來。如Yang等［40］和Tian等［41］采用長(zhǎng)短期存儲(chǔ)器（LSTM）網(wǎng)絡(luò)對(duì)SOC進(jìn)行粗略估計(jì)，并分別采用UKF和ACKF進(jìn)行濾波，以提高SOC的估計(jì)精度。Xie等［42］則在EKF中引入了次優(yōu)衰減因子，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整增益矩陣，提高了方法的魯棒性。然而，上述研究中，估計(jì)結(jié)果主要由身為“黑箱模型”的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法提供，濾波算法主要用于去除噪聲，整體方法的可解釋性不強(qiáng)。

為提高方法的可解釋性，部分學(xué)者以電池模型為主，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為輔對(duì)SOC進(jìn)行估計(jì)。Zhang等［43］利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電池模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并通過開路電壓-荷電狀態(tài)（OCV-SOC）函數(shù)最終估計(jì)得到SOC，但該方法僅進(jìn)行了較為簡(jiǎn)單的SOC估計(jì)，沒有進(jìn)行多工況下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Chen等［44］在建立等效電路模型的基礎(chǔ)上，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為非線性觀測(cè)器估計(jì)SOC。然而，這些方法將重點(diǎn)放在了電池模型參數(shù)辨識(shí)和觀測(cè)器構(gòu)建方面，并不能彌補(bǔ)電池模型建模精度導(dǎo)致的估計(jì)誤差。

除上述研究外，部分學(xué)者通過引入多維物理信息，擴(kuò)展電池模型的輸入以提高狀態(tài)估計(jì)精度。Li等［45］使用光纖傳感器捕捉電池充放電過程中引起的表面多點(diǎn)應(yīng)變和溫度變化，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和高斯過程回歸聯(lián)合估計(jì)SOC和SOH，但該方法僅能估計(jì)較為簡(jiǎn)單的電池恒流放電時(shí)的SOC，這與電池實(shí)際應(yīng)用工況存在較大差異。Jiang和Liu等［4546］結(jié)合電池模組內(nèi)部的機(jī)電耦合機(jī)理，采用電流作為輸入，電池間壓力作為輸出，SOC作為狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)了磷酸鐵電池電壓平臺(tái)區(qū)SOC估計(jì)技術(shù)的新突破，克服了通過壓力信號(hào)對(duì)SOC進(jìn)行估計(jì)時(shí)魯棒性不足的問題。

上述研究表明，通過將電池領(lǐng)域知識(shí)、多維物理信息集成到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)中，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與電池物理模型相融合的方法框架，不僅可以提高數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的可解釋性，破解“黑箱”難題，還可以進(jìn)一步提高電池狀態(tài)估計(jì)的精度、魯棒性以及泛化能力。

2.2"電池系統(tǒng)故障診斷及研究進(jìn)展

2.2.1"電池故障特征概述

鋰離子電池作為一類典型的涉及復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)/傳遞機(jī)理的能量?jī)?chǔ)存裝置，本身存在較高安全隱患，需要采用系統(tǒng)工程的理論和方法，在電池材料體系研發(fā)、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等各個(gè)層面予以關(guān)注，確保其在實(shí)際使用中的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。另一方面，在電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能、大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，為滿足電流、電壓、功率、能量的需求，常需要通過串并聯(lián)手段將大量單體組成電池組、電池包乃至電池簇，會(huì)存在大量的連接組件，極大地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，將導(dǎo)致發(fā)生各類故障的概率增大，并增加了安全隱患。

將電池系統(tǒng)故障作為頂層故障，采用故障樹分析方法（FTA）得到系統(tǒng)故障與各故障之間的傳遞關(guān)系如圖7所示。

2.2.2"電池故障類型和診斷

（1）電池本體故障。

在電池本體故障研究中，短路故障為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。電池組短路故障的誘發(fā)原因復(fù)雜，其中內(nèi)短路故障是指在電池內(nèi)部的正負(fù)極間形成電子導(dǎo)通，由于其故障初期通常阻值較大，不會(huì)導(dǎo)致電池電壓的驟降，因此又被稱為微短路或軟短路。由于內(nèi)短路故障發(fā)展迅速，診斷難度高，潛在的危險(xiǎn)較大，是鋰離子電池本體故障診斷亟需解決的難點(diǎn)，目前已有大量研究［4748］。

除了短路故障外，對(duì)于電池在使用過程中的老化故障也得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。當(dāng)電池組中的個(gè)別電池相對(duì)其他電池出現(xiàn)明顯的容量衰退時(shí)，則稱其為低容量故障，也可以認(rèn)為是老化故障的一種極端形式。由于在使用過程中可能出現(xiàn)的過充、過放、高溫以及低溫等濫用或不良工況，會(huì)加速電池可循環(huán)鋰離子的減少和電極活性材料的損失，從而引起低容量故障的出現(xiàn)。

（2）電池系統(tǒng)組件故障。在系統(tǒng)組件故障中，主要包括BMS故障、連接故障以及絕緣故障。BMS故障中最常見的是傳感器故障，傳感器故障包括電壓、電流和溫度傳感器故障，其故障原因包括外部撞擊或振動(dòng)以及傳感器內(nèi)核老化［49］。由于電池組中各種類型的故障診斷以及狀態(tài)估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)均依賴于傳感器采集數(shù)據(jù)，因此當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電池組運(yùn)行出現(xiàn)嚴(yán)重問題。BMS故障實(shí)際是導(dǎo)致電池組過充過放和溫度異常的主要原因，組件故障導(dǎo)致了電池監(jiān)測(cè)誤差增大、診斷功能失效，進(jìn)而引發(fā)了電池本體故障，目前已有針對(duì)BMS中電壓、電流傳感器故障的診斷研究。絕緣故障則是由于機(jī)械振動(dòng)等原因造成絕緣層損壞而導(dǎo)致的。

（3）電池故障觸發(fā)機(jī)制。由于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)串并聯(lián)單體眾多，因此在電池篩選成組階段，難以保證電池系統(tǒng)中各單體間具有優(yōu)良的一致性。電池包在實(shí)際工作中，不當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞绞且l(fā)電池故障的重要原因，如過電流、過電壓、高溫等。而當(dāng)電池系統(tǒng)中由于外部碰撞或者內(nèi)部?jī)?nèi)短路發(fā)生時(shí)，難免引起一些安全風(fēng)險(xiǎn)，因此了解故障觸發(fā)機(jī)制，進(jìn)而及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行診斷具有重要意義。

3"電池系統(tǒng)一致性控制和重構(gòu)

電池全生命周期的不一致性一直存在，導(dǎo)致電池單體間的狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)差異。為了維護(hù)電池在使用過程中的一致性，需要根據(jù)外部環(huán)境、電壓、電流和溫度等條件，采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?。通過實(shí)施合適的均衡或重構(gòu)手段，可以提高電池在整個(gè)使用過程中的一致性。

3.1"電池均衡及研究進(jìn)展

當(dāng)電池的電壓、SOC和容量存在一定范圍內(nèi)的不一致性，且不存在過度老化或失效的電池單體時(shí)，通過采用電池均衡可以確保電池的電壓、SOC或容量達(dá)到一致狀態(tài)。電池均衡主要分為均衡拓?fù)浜途獠呗詢蓚€(gè)方面。均衡拓?fù)涫菍?shí)現(xiàn)均衡控制的基礎(chǔ)物理結(jié)構(gòu)，是先進(jìn)控制策略的載體和執(zhí)行系統(tǒng)。均衡策略則包括均衡指標(biāo)和基于指標(biāo)的均衡。

3.1.1"電池均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)能量耗散形式可以將電池均衡分為被動(dòng)均衡與主動(dòng)均衡兩種；根據(jù)能量的轉(zhuǎn)移形式，均衡可以分為模組與單體間的均衡、電池單體間的均衡以及模組之間的均衡，如圖8所示。

（1）根據(jù)能量耗散形式。根據(jù)能量耗散形式可以將電池均衡分為被動(dòng)均衡與主動(dòng)均衡兩種。被動(dòng)均衡也稱為能量耗散型均衡，是一種通過旁路分流元器件消耗高能量電池的方法，旨在實(shí)現(xiàn)電池單體能量的均勻分布。這種均衡策略具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)便捷等優(yōu)勢(shì)。然而，它也存在一些顯著的缺點(diǎn)。由于能量在放電過程中以熱能形式耗散，其能量利用效率較低，因而導(dǎo)致了能量的浪費(fèi)。這不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還可能對(duì)電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)，被動(dòng)均衡方式均衡電流一般較小，均衡速度慢，短期內(nèi)不能充分地均衡電池之間的不一致狀態(tài)。

Xu等［50］提出了一種大功率被動(dòng)均衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)均衡的高速化。但是，在快速被動(dòng)均衡的同時(shí)，能量耗散所帶來熱問題也是需要關(guān)注的一大難題。

主動(dòng)均衡又稱為電池能量轉(zhuǎn)移均衡，是一種通過能量轉(zhuǎn)移元器件將高能量電池中的電量轉(zhuǎn)移至低容量電池中的技術(shù)。相較于被動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡具有更大的均衡電流、更快的均衡速度和更高的效率。然而，這種均衡方式的實(shí)現(xiàn)也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度增加、成本提高以及控制難度增大等問題。根據(jù)所采用的能量轉(zhuǎn)移器件的不同，主動(dòng)均衡可以分為多種類型。

基于電容的均衡則是利用電容元件的電荷存儲(chǔ)和釋放特性來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都繼承傳統(tǒng)開關(guān)電容的優(yōu)勢(shì)，即只需要一組互補(bǔ)的PWM波，而無需控制電流，控制簡(jiǎn)單。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是在電池單體間電壓差小的時(shí)候，均衡效果不理想，均衡速度較慢?；陔娙莸木馔?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要可分為3類：?jiǎn)螌娱_關(guān)電容、多層開關(guān)電容和特殊電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

基于電感的均衡利用電感元件的磁能存儲(chǔ)和釋放特性來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。典型的基于電感的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要基于Buk-Boost結(jié)構(gòu)。由于該種均衡具有較高的均衡電流和開關(guān)頻率，所以均衡時(shí)間較短，但是僅僅能應(yīng)用于相鄰的電池單體或電池組，均衡速度慢。

基于變壓器的均衡則是利用反激變換或正激變換來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。一般而言，將基于變壓器均衡分為以下幾類：基于反激式變壓器、基于正激式變壓器、正反激變壓器結(jié)合?；谧儔浩鞯木?，由于其高的均衡電流和高頻開關(guān)速度，均衡時(shí)間較短，且可以實(shí)現(xiàn)電磁隔離；然而，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在的開關(guān)和變壓器，成本較高，有一定的磁漏，需要電容作為高頻率濾波器，較多的開關(guān)結(jié)構(gòu)也增加了系統(tǒng)控制的難度和復(fù)雜程度。

而基于變換器的均衡則是利用電力電子變換器的工作原理來實(shí)現(xiàn)能量的均衡，主要有CUK結(jié)構(gòu)、LC諧振變換器、全（半）橋變換器等。一般而言，基于變換器的均衡結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)雙向均衡，且具有平緩連續(xù)的均衡電流，但是擴(kuò)展性不足，較難適于應(yīng)用于實(shí)際。

（2）根據(jù)能量轉(zhuǎn)移形式。根據(jù)均衡過程中能量的轉(zhuǎn)移形式可以分為電池單體與電池模組之間的均衡，模組之間的均衡，單體到單體之間的均衡，以及單體到輸入輸出的均衡。

模組和單體之間的均衡分為模組到單體和單體到模組的均衡方式，顯而易見，模組到單體的均衡方式適合于單體經(jīng)常處于低能量模式，相反地，單體到模組的均衡方式適合于電池包中的單體經(jīng)常高能量模式。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是能量只能單向流動(dòng)，不適用于所有場(chǎng)景。模塊到單體的方式不適合高能量單體的快速放電。因此，模組和單體之間的雙向均衡方式更加能夠適用于多種場(chǎng)合，但是顯然增加了開關(guān)的數(shù)量，使得系統(tǒng)體積和成本上升，由此，需要對(duì)這種方式進(jìn)行權(quán)衡。

轉(zhuǎn)移路徑短、速度快、效率高的單體間均衡方法是較為理想的選擇。根據(jù)能量的轉(zhuǎn)移方式又分為相鄰單體間能量轉(zhuǎn)移和任意單體間的之間轉(zhuǎn)移。任意電池之間均衡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以忽略電池在連接時(shí)的順序，能夠?qū)崿F(xiàn)任意電池之間的均衡，這極大地提高了均衡時(shí)間。模組之間的均衡方式能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。均衡過程實(shí)現(xiàn)高能模塊和低能模塊間均衡，能量能夠快速的轉(zhuǎn)移，然而模塊內(nèi)部的均衡方式應(yīng)該是該種均衡方式考慮的重點(diǎn)，模塊內(nèi)部基于電容和正激變壓器的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自均衡，無需對(duì)模塊內(nèi)部的均衡方式進(jìn)行控制。

3.1.2"電池均衡控制策略

在電池包的使用過程中，電池不一致現(xiàn)象的改善需要均衡或重構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)與合適的控制策略相結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)有效的控制，策略應(yīng)盡量簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制復(fù)雜性，同時(shí)考慮時(shí)間、功率損耗、成本和電壓/電流相關(guān)因素?？刂撇呗钥梢愿鶕?jù)所采用的控制變量進(jìn)行分類。此外，控制策略還可以根據(jù)所追求的一致性目標(biāo)進(jìn)行分類。同時(shí)，控制算法也是控制策略的重要組成部分。總體而言，為了提高電池包的性能和安全性，需要深入研究合適的控制策略，以實(shí)現(xiàn)電池的一致性。

（1）均衡變量。在電池均衡策略中，選擇合適的均衡變量是至關(guān)重要的。常見的均衡變量主要有電壓、SOC、剩余容量和混合變量等幾種。

基于電壓的電池均衡控制策略主要是通過監(jiān)測(cè)電池的電壓來實(shí)現(xiàn)一致性。由于電壓是直接可測(cè)的參數(shù)，這種策略具有方便、直觀和簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)踐中被廣泛采用［51］。然而，這種策略也存在一些局限性。首先，鋰離子電池在充放電過程中存在電壓變化較小的平臺(tái)區(qū)，這使得電池的電量與電壓之間的關(guān)系變得不敏感。其次，電池的端電壓會(huì)受到電池內(nèi)阻和充放電電流的影響而產(chǎn)生波動(dòng)，這使得基于電壓的均衡閾值難以準(zhǔn)確設(shè)置。最后，由于電池內(nèi)阻和實(shí)際容量的不一致性，基于電壓的均衡策略可能無法準(zhǔn)確識(shí)別電池的不一致性問題。

基于SOC的電池均衡策略是使電池的SOC趨于一致。相較于基于電壓的均衡策略，基于SOC的策略具有更穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，能夠避免由于電流突然波動(dòng)所導(dǎo)致的均衡問題。然而，SOC的測(cè)量需要復(fù)雜的算法和傳感器技術(shù)，且可能受到多種因素的影響，如充放電效率、溫度和電池老化等。

基于剩余容量的電池均衡策略旨在確保電池組能夠達(dá)到其最大的使用容量，從而提供更好的整體性能［52］。然而，要實(shí)現(xiàn)這種均衡策略，需要精確估計(jì)電池的SOC、充放電電流、容量和內(nèi)阻等參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算具有一定的復(fù)雜性，增加了使用難度。

由于基于單變量的控制策略都有其缺點(diǎn)，有許多研究提出結(jié)合多個(gè)變量的混合控制策略，由此彌補(bǔ)各個(gè)單均衡變量的缺陷。如基于SOC和電壓的混合控制策略，不僅利用了電池放電的電壓和SOC的平臺(tái)特性，而且結(jié)合了SOC均衡和電壓均衡的優(yōu)點(diǎn)。然而，混合變量的測(cè)量和計(jì)算可能更加復(fù)雜，需要更多的傳感器和算法支持。

（2）一致性控制算法。控制策略也可以根據(jù)在一致性方法中采用的算法進(jìn)行分類，現(xiàn)在常用的一致性算法有：PID控制、最優(yōu)控制、模糊邏輯控制、模型預(yù)測(cè)控制等。

PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很高的可靠性，閉環(huán)穩(wěn)定性好，同時(shí)參數(shù)調(diào)整方便，目前是工業(yè)系統(tǒng)中最常用的控制方法。當(dāng)擾動(dòng)較小時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好； 最優(yōu)控制通過給定的系統(tǒng)，在眾多方案中選擇最優(yōu)解，使得某個(gè)或多個(gè)功能達(dá)到最優(yōu)解，或使某個(gè)功能達(dá)到最優(yōu)。模糊邏輯控制方法具有較強(qiáng)的非線性、魯棒性、適應(yīng)性和容錯(cuò)性，改善了電池不一致性，優(yōu)化了效率。也可使用EKF來估計(jì)SOC，但估計(jì)每個(gè)單元的SOC需要花費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算量。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）主要包含模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，本質(zhì)上模型預(yù)測(cè)控制求解一個(gè)開環(huán)最優(yōu)控制問題，并對(duì)控制效果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正以提高控制精度。文獻(xiàn)［53］提出了一種連續(xù)時(shí)間的快速模型預(yù)測(cè)控制方法。利用最小平衡時(shí)間定義模型預(yù)測(cè)控制器；

綜上所述，電池均衡算法是提高電池組性能和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一，這些算法通過學(xué)習(xí)和適應(yīng)電池組的使用狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的均衡控制，但同時(shí)也需要更多的數(shù)據(jù)支持和計(jì)算資源。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)電池組的特性和需求選擇合適的均衡策略。

3.2"電池重構(gòu)及研究進(jìn)展

由于電池包在運(yùn)行過程中，電池所處的充放電狀態(tài)在持續(xù)改變，而且電池包的內(nèi)部狀態(tài)也在發(fā)生著變化，一個(gè)固定的電池連接結(jié)構(gòu)顯然無法滿足要求，導(dǎo)致電池能量的損失，容量衰減的速度加快。電池重構(gòu)系統(tǒng)則將電池單體或電池模組通過開關(guān)連接，可以根據(jù)負(fù)載狀態(tài)和電池狀態(tài)，對(duì)電池的連接形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，這為電池管理系統(tǒng)開辟了一種新的發(fā)展方向。

3.2.1"電池重構(gòu)拓?fù)?/p>

電池重構(gòu)系統(tǒng)通?？梢酝ㄟ^兩種方式實(shí)現(xiàn)。第一種方法是重新調(diào)整電池單體/電池模組的布線方式，但是在絕大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用中，考慮到安全因素與實(shí)施成本，電池成組后是不允許改變電池包的組裝方式及電池位置的。第二種方法是采用電池重構(gòu)技術(shù)，將電池單體/電池模組按照重構(gòu)拓?fù)溥B接以實(shí)現(xiàn)電池連接方式的動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此重構(gòu)拓?fù)涞墓δ苄耘c結(jié)構(gòu)復(fù)雜度成為重構(gòu)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。

相比于機(jī)械開關(guān)，基于半導(dǎo)體技術(shù)的電子開關(guān)具有極快的切換速度，在安全的工作條件下，半導(dǎo)體開關(guān)具有更長(zhǎng)的使用壽命與更優(yōu)異的工作穩(wěn)定性，因此電子開關(guān)已經(jīng)被電池重構(gòu)系統(tǒng)廣泛使用。

通常分配給每個(gè)電池的開關(guān)數(shù)量越多，重構(gòu)系統(tǒng)的功能就越強(qiáng)大。按照每個(gè)電池分配的開關(guān)數(shù)量，典型的重構(gòu)拓?fù)鋱D9所示，圖中Bi表示第i個(gè)電池。這些拓?fù)涞牡湫碗娐沸再|(zhì)主要包含：旁路功能［54］、串聯(lián)功能［55］、并聯(lián)功能［56］、串并聯(lián)轉(zhuǎn)換功能［57］等。基于以上電路性質(zhì)，電池重構(gòu)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)電池包具有以下幾個(gè)典型的優(yōu)勢(shì)：①提高了電池系統(tǒng)的容錯(cuò)能力與安全性；②強(qiáng)大的均衡能力；③可任意調(diào)節(jié)的電池包輸出電壓；④可顯著提高電池包的能量利用率；⑤顯著提高電池包的使用壽命。

雙開關(guān)拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)電池的串聯(lián)以及任意電池的旁路隔離［58］，這種結(jié)構(gòu)具有低復(fù)雜度、低成本與控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。單開關(guān)拓?fù)淇梢暈殡p開關(guān)拓?fù)涞囊环N拓展應(yīng)用，該拓?fù)鋽U(kuò)大了儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池?cái)?shù)量，將電池單體轉(zhuǎn)換為多個(gè)單體并聯(lián)的電池模組。開關(guān)數(shù)量大于等于3的重構(gòu)拓?fù)鋭t可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電池間的并聯(lián)、串聯(lián)及串并聯(lián)轉(zhuǎn)換［59］。串并聯(lián)轉(zhuǎn)換不僅可以實(shí)現(xiàn)電池包輸出電壓的靈活變化，還可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)單體的電壓均衡。電池重構(gòu)系統(tǒng)的功能性通常會(huì)隨著重構(gòu)拓?fù)涞膹?fù)雜度而提高。但是，過于復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)造成電路成本過高、安全性下降、空間占用過高等問題，因此對(duì)功能性與軟硬件成本之間的權(quán)衡是實(shí)際應(yīng)用面臨的一大難題。

3.2.2"電池重構(gòu)功能

（1）均衡。文獻(xiàn)［60］基于雙開關(guān)拓?fù)涞拇?lián)結(jié)構(gòu)，可以對(duì)任意電池在充放電或者靜置狀態(tài)進(jìn)行旁路隔離，實(shí)現(xiàn)能量的最大化，在使用過程中對(duì)失效電池進(jìn)行隔離，保證電池組的正常使用。文獻(xiàn)［61］提出雙開關(guān)拓?fù)渑c雙向DC/DC結(jié)合，每個(gè)電池單體可以沒有損害的完全充電。文獻(xiàn)［62］基于單個(gè)開關(guān)的重構(gòu)拓?fù)洌鶕?jù)負(fù)載和電池的使用情況，對(duì)失效電池隔離進(jìn)行自我治愈，最大限度地提升可用容量的效率，對(duì)應(yīng)于整體電池包而言，開關(guān)數(shù)量是最少的。缺點(diǎn)是串聯(lián)的電池?zé)o法進(jìn)行并聯(lián)連接，并聯(lián)的電池也無法進(jìn)行串聯(lián)連接，結(jié)構(gòu)的靈活性較低。文獻(xiàn)［63］提出了一種串聯(lián)電池的均衡重構(gòu)模型，在電池健康狀態(tài)良好時(shí)，可以通過MOS開關(guān)進(jìn)行高能電池的被動(dòng)均衡；在電池健康狀態(tài)較差時(shí)，能夠進(jìn)行對(duì)應(yīng)保險(xiǎn)絲的燒斷和開關(guān)的旁路，實(shí)現(xiàn)電池單體的隔離，失效隔離的時(shí)間僅為0.2s。文獻(xiàn)［64］基于三開關(guān)拓?fù)?，提出了一種模塊化電池重構(gòu)系統(tǒng)，并將該電池重構(gòu)系統(tǒng)與后端的DC/DC變換器結(jié)合，DC/DC變換器將高SOC電池模塊的電量轉(zhuǎn)移至低SOC電池模塊實(shí)現(xiàn)了每個(gè)電池模組的SOC均衡。

文獻(xiàn)［65］利用重構(gòu)系統(tǒng)的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換特性，根據(jù)負(fù)載需求實(shí)施調(diào)節(jié)串并聯(lián)連接方式。開發(fā)了一種分層實(shí)時(shí)控制方案，以達(dá)到最小化電池組容量衰減和能量損失的雙重目的。文獻(xiàn)［66］采用雙開關(guān)拓?fù)?，其中重?gòu)開關(guān)允許電池連接或動(dòng)態(tài)旁路，用于隔離最弱的電池，保證在任意條件下都可以使用電池的全部容量。并且提出了一種最優(yōu)壽命管理策略，采用包括老化機(jī)制在內(nèi)的全電池模型，最大限度地減少電池容量損失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明重構(gòu)系統(tǒng)可以有效保證電池SOH并延長(zhǎng)電池壽命。

（2）故障診斷與故障隔離。傳統(tǒng)電池包會(huì)有數(shù)以千萬計(jì)的可充電電池被丟棄，原因是固定結(jié)構(gòu)的成組的電池包中存在失效和老化電池單體，在這種情況下，均衡的手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)是不夠的，對(duì)于這些失效電池進(jìn)行長(zhǎng)期的充放電會(huì)產(chǎn)生安全問題。通過改變電池的連接方式，隔離這些失效電池是最有效的手段。通過在電池周圍布置開關(guān)，發(fā)現(xiàn)失效單體并進(jìn)行隔離是目前最好的解決方案，由此可以延長(zhǎng)整體電池包的使用壽命，提升電池包的耐久性和安全性。圖10展示了傳統(tǒng)電池包與重構(gòu)電池包在在發(fā)現(xiàn)單體故障時(shí)的性能對(duì)比，顯然重構(gòu)電池包可以容易地實(shí)現(xiàn)故障隔離。

文獻(xiàn)［67］采用雙開關(guān)的電池重構(gòu)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電池包整體容量的完全利用，提升了電池組的可靠性。結(jié)構(gòu)中每個(gè)電池利用兩個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立控制，開關(guān)電路和控制電路使用高效的MOSFET和小型信號(hào)器件執(zhí)行，可應(yīng)用于任何種類電池。相比于其他結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)的開關(guān)數(shù)量減少，降低了成本、控制難度和系統(tǒng)復(fù)雜程度。文獻(xiàn)［68］首次提出對(duì)電池模組進(jìn)行失效隔離，適用于高能量電池包，通過改變模組的接入或者斷開，在使用過程中對(duì)模組進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。文獻(xiàn)［6970］采用雙開關(guān)重構(gòu)拓?fù)?，在電熱模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，找到了具有最佳故障隔離性能的傳感器組。

（3）提高電池包能量利用率。在電池包中，可用容量總是被最小容量的電池單體所決定的，尤其是在串聯(lián)連接的電池包中，在相同的放電電流下，導(dǎo)致容量大的電池單體無法完全放電。在極端情形下，容量的衰減會(huì)造成安全問題，甚至產(chǎn)生起火的風(fēng)險(xiǎn)，采用重構(gòu)的方式可以快速繞過容量低的電池，重新配置電池包的結(jié)構(gòu)，直接實(shí)現(xiàn)最大容量輸出，以此實(shí)現(xiàn)電池包容量的優(yōu)化。

文獻(xiàn)［59］采用一種四開關(guān)重構(gòu)拓?fù)?，通過調(diào)整電池間的串并聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了電池包內(nèi)各個(gè)電池單體容量的充分利用。文獻(xiàn)［71］提出利用重構(gòu)系統(tǒng)，通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃和遺傳重構(gòu)算法，在電池放電的即將結(jié)束過程中，選擇性地跳過一些完全放電電池，其余電池繼續(xù)支持負(fù)載輸出，將容量提升了20%，緩解了電池組中電池容量不平衡，實(shí)現(xiàn)最大的能量輸出。文獻(xiàn)［72］根據(jù)電池單體的容量差異，識(shí)別相近的容量電池單體進(jìn)行串聯(lián)，證明該情況下電池組容量輸出可以得到提升。

（4）高電壓快速充電。充電耗時(shí)過長(zhǎng)是阻礙電動(dòng)汽車發(fā)展的重要因素，為了解決這個(gè)問題，行業(yè)趨勢(shì)正在轉(zhuǎn)向快速充電技術(shù)，這種技術(shù)可以在不到20min的時(shí)間內(nèi)將電池包充滿電。然而，為了實(shí)現(xiàn)如此短的充電時(shí)間，通常需要巨大的電流，在20min的充電時(shí)間內(nèi)，對(duì)85kW·h電池（如特斯拉Model S）進(jìn)行完全直流充電，充電電流約為700A。過大的充電電流會(huì)導(dǎo)致線路損耗及發(fā)熱急劇升高。減小電流和保持較短的充電時(shí)間這兩個(gè)條件意味著需要提高電池包電壓。電池重構(gòu)系統(tǒng)具有串并聯(lián)模態(tài)切換的特性，可以動(dòng)態(tài)提高和降低總輸出電壓。

文獻(xiàn)［73］采用三開關(guān)重構(gòu)拓?fù)洳⒔Y(jié)合提出的快速充電策略，將所有并聯(lián)的電池轉(zhuǎn)換為串聯(lián)連接，以大幅提高電池包的輸出電壓，并減低降低充電電流。文獻(xiàn)［56］基于重構(gòu)拓?fù)涓叩碗妷呵袚Q特性，設(shè)計(jì)了一種充電時(shí)兼容現(xiàn)有400V電壓等級(jí)充電設(shè)備，放電時(shí)將電池重構(gòu)系統(tǒng)由串聯(lián)模態(tài)轉(zhuǎn)換至并聯(lián)模態(tài)的低電壓等級(jí)狀態(tài)，以適應(yīng)48V直流電機(jī)。

（5）自定義端電壓。傳統(tǒng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常需要外接DC/DC變換器或DC/AC逆變器對(duì)外供能，以適應(yīng)能量需求側(cè)的電壓需求。電池重構(gòu)系統(tǒng)可以自定義端電壓的特性則可以被應(yīng)用以輸出所需的電壓等級(jí)，在不使用變流器的情況下可以保持較低的電壓波動(dòng)，并且大幅度降低成本。

文獻(xiàn)［58］基于雙開關(guān)重構(gòu)拓?fù)?，提出了一種無需使用DC/DC變換器的具有穩(wěn)定電壓輸出的電池重構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電池組在完整充放電過程中的穩(wěn)壓輸出，電池包的能量利用率高達(dá)99.8%。文獻(xiàn)［74］利用相同的特性，實(shí)現(xiàn)了總輸出電壓波動(dòng)接近0，為電能需求側(cè)提供了高質(zhì)量的直流電壓。

文獻(xiàn)［75］將電池重構(gòu)系統(tǒng)電壓可變的特性用于輸出交流電，通過調(diào)節(jié)電池包內(nèi)電池單體/電池模塊的參與數(shù)量與電壓輸出方向，可以很容易的生成不同電壓等級(jí)。文獻(xiàn)［76-77］則通過電池重構(gòu)系統(tǒng)模擬輸出正弦電壓實(shí)現(xiàn)了無需整流器，交流電直接對(duì)電池包進(jìn)行充電的應(yīng)用。并通過調(diào)控電池包電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了充電電流的控制。以上兩種應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)電池重構(gòu)系統(tǒng)與交流電網(wǎng)電流的雙向轉(zhuǎn)移，取消了逆變器和整流器的使用，提高了充放電的能量轉(zhuǎn)換效率，降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件成本。

4"電池?zé)峁芾?/p>

電池對(duì)溫度敏感性很高，當(dāng)天氣炎熱或鋰離子電池處于散熱不良的情況時(shí)，鋰離子電池產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致自身溫度過高，這對(duì)鋰離子電池的耐用性、安全性和性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。低溫下鋰離子電池離子遷移速度降低，這使得其在低溫下的性能較差。因此，高效的熱管理系統(tǒng)是使電池保持性能的重要措施［78］。

4.1"電池?zé)峁芾矸椒ǜ攀?/p>

4.1.1"電池高溫冷卻管理

當(dāng)電池達(dá)到更高的溫時(shí)，鋰離子電池容易過熱并且導(dǎo)致熱失控，危及到電動(dòng)汽車及其乘客的安全。因此，為了解決電池過熱問題，電池管理系統(tǒng)必須對(duì)鋰離子電池實(shí)施良好的冷卻。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，電池的主要冷卻方式包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻以及熱管冷卻，不同冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)如圖11所示。

氣體冷卻具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、安全性好等特點(diǎn)［79］，然而空氣自然對(duì)流的換熱能力較弱。液體冷卻［80］是當(dāng)前電動(dòng)汽車中主流冷卻方式，包括間接接觸式、直接接觸式和液體混合式等。間接接觸式液體冷卻采用冷板、冷管等媒介來傳遞熱量，目前是各大車廠的主要冷卻方式。直接接觸式液體冷卻，也叫浸入式冷卻，將電池與液體直接接觸，具有更好的冷卻效果，但也存在密封性要求高、液體對(duì)電池腐蝕等問題。Guo等［81］開發(fā)了多流道浸入式液體冷卻系統(tǒng)，采用液體作為冷卻介質(zhì)，具有很好的控制溫升和電池溫度一致性。相比于空氣，液體具有更高的熱導(dǎo)率，能夠在短時(shí)間內(nèi)將電池組控制在合適的溫度范圍。PCM冷卻方式具有寄生功率低、質(zhì)量輕、電池間溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，也得到了廣泛的關(guān)注和研究。熱管/平面熱管［82］因其高效導(dǎo)熱特性也在電池?zé)峁芾碇械玫搅舜罅康难芯?。然而，PCM和熱管形式電池?zé)峁芾磉€面臨成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等方面的問題。

4.1.2"電池低溫加熱管理

在0℃以下的溫度下，可用的能量和功率急劇下降。由于存在析鋰的風(fēng)險(xiǎn)，低溫下鋰離子電池充電速率受到極大限制。研究低溫性能良好的電極材料和電解質(zhì)是解決這一挑戰(zhàn)的方法，但材料創(chuàng)新和普及可能需要很長(zhǎng)時(shí)間。由于動(dòng)力學(xué)和離子遷移過程高度依賴于溫度，電池的性能可以在加熱后恢復(fù)。因此，對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱是提高低溫環(huán)境下電池性能的可行方法。按照預(yù)熱熱量來源進(jìn)行區(qū)分，有效的電池預(yù)熱方式分為外部加熱和混合加熱等，如圖12所示。

北京理工大學(xué)Xiong等［83］將電池外接加熱電阻進(jìn)行脈沖放電加熱，通過電池自身產(chǎn)熱實(shí)現(xiàn)電池溫度的快速提高，這種內(nèi)部加熱方式的優(yōu)勢(shì)在于所需的外部裝置少、成本低。外部加熱方式通過電池以外的裝置對(duì)電池進(jìn)行加熱，例如先加熱液體使其升溫，再通過液體給電池加熱［84］，外部加熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。北京交通大學(xué)Ruan等［85］將經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋁箔外接在電池兩極，利用電池自身產(chǎn)熱和鋁箔熱量快速提高電池溫度；西安交通大學(xué)徐俊團(tuán)隊(duì)［86］充分利用電池自身產(chǎn)熱和自加熱器件產(chǎn)熱，進(jìn)一步降低了加熱電流提高電池溫度?；旌霞訜岱绞接行Ю昧穗姵刈陨懋a(chǎn)生的熱量和外部器件產(chǎn)生的熱量，綜合加熱所需的電流和加熱速率更有優(yōu)勢(shì)。

4.2"電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化與控制

4.2.1"電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

鋰離子電池在使用過程中需要電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來保證其性能、壽命以及安全性。在熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，理論上可以通過枚舉法嘗試所有可能的組合，但是這將產(chǎn)生巨大的計(jì)算成本與時(shí)間成本。為了提高效率，需要有效的方法來搜索設(shè)計(jì)結(jié)果，這些方法被稱為優(yōu)化算法［87］。本文基于應(yīng)用方法的不同，將熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化分為4類：代理模型優(yōu)化、試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化、單目標(biāo)優(yōu)化以及多目標(biāo)優(yōu)化。圖13展示了熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的流程。

（1）電池代理模型優(yōu)化。代理模型是指在分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中替代復(fù)雜精確模型的近似學(xué)習(xí)模型，往往采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來建立。目前最常用的代理模型有響應(yīng)曲面模型（RSM）、高斯過程模型（GP）、徑向基函數(shù)模型（RBF）以及克里金模型（KM）。通常，代理模型不會(huì)單獨(dú)使用，而是被用于為多目標(biāo)優(yōu)化提供大量參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

響應(yīng)曲面模型通過求解回歸方程，可以較好地反映輸入量與輸出量之間的關(guān)系。

Lu等［88］設(shè)計(jì)了一種具有特斯拉閥結(jié)構(gòu)的微流道冷板，并建立了3個(gè)擬合優(yōu)度均大于97%的評(píng)價(jià)指標(biāo)響應(yīng)曲面模型。

徑向基函數(shù)是一種沿徑向?qū)ΨQ的標(biāo)量函數(shù)，在散亂數(shù)據(jù)插值與逼近中得到了廣泛應(yīng)用。Tang等［89］采用徑向基函數(shù)預(yù)測(cè)熱管理系統(tǒng)制冷性能，與線性、多項(xiàng)式和 Sigmoid 核函數(shù)相比在準(zhǔn)確性上得到了提升，使得其設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)無需復(fù)雜的熱力學(xué)理論和方程即可獲得滿意的性能參數(shù)。

高斯過程是一種基于概率理論的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以直接通過對(duì)函數(shù)建模來建立非參數(shù)模型。因此，它對(duì)任何黑箱系統(tǒng)都是可行的。Xu等［90］提出了一種浸入式多流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用高斯過程模型對(duì)各因素進(jìn)行交互作用分析，得到最優(yōu)流道間距參數(shù)。

克里金模型最早運(yùn)用在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，是依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對(duì)隨機(jī)過程進(jìn)行插值的一種算法。Sun等［91］建立了克里金模型，對(duì)冷卻通道結(jié)構(gòu)和冷卻液入口方向進(jìn)行了優(yōu)化，最終有效降低了最高電芯溫度，平衡了電池組的溫度差。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化不是嚴(yán)格定義上的優(yōu)化方法，在大多數(shù)情況下，評(píng)估所有因子的所有水平組合往往是不現(xiàn)實(shí)的，因此需要一種方法來對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

最常見的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法為正交實(shí)驗(yàn)法，它利用正交表來對(duì)多因素、多水平組合的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)找出最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件。

Wang等［92］針對(duì)大型電池模塊的液體冷卻效果進(jìn)行優(yōu)化，選取了接觸角、入口速度以及通道數(shù)3個(gè)因素、并劃分4個(gè)水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中參照L9（34）正交表，大大降低了所需實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

另一種常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是響應(yīng)面設(shè)計(jì)（RSM），該方法可以快速建立各個(gè)變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在實(shí)驗(yàn)區(qū)域或近邊界區(qū)域內(nèi)進(jìn)行效應(yīng)預(yù)測(cè)，繼而根據(jù)結(jié)果對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。其中，中心復(fù)合設(shè)計(jì)（CCD）和BOX-Behnken設(shè)計(jì)是響應(yīng)面方法中的兩種重要設(shè)計(jì)方法。Ling等［93］開發(fā)了一種基于CCD和數(shù)值傳熱模型的優(yōu)化方法，節(jié)省了高達(dá)94.1%的質(zhì)量和55.6%的體積，電池模組工作狀態(tài)下的最高溫度也被控制在37℃以內(nèi)，大大提高了冷卻性能。

（3）單目標(biāo)優(yōu)化。對(duì)于某些簡(jiǎn)單的熱管理系統(tǒng)，目標(biāo)函數(shù)往往只有一個(gè)，可以用單目標(biāo)優(yōu)化來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Chen等［94］將牛頓法與流阻網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合起來，優(yōu)化了Z型流道空氣冷卻熱管理系統(tǒng)。在入口流速固定、電池組發(fā)熱量恒定的情況下，最大溫差降低45%。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，熱管理系統(tǒng)往往存在著多因素耦合的情況，單目標(biāo)優(yōu)化并無法適用。

（4）多目標(biāo)優(yōu)化。在設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)的過程中，往往會(huì)出現(xiàn)需要針對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的情況。與單目標(biāo)優(yōu)化相對(duì)，多目標(biāo)優(yōu)化就是同時(shí)優(yōu)化這些變量的算法。這些變量在對(duì)系統(tǒng)的影響上往往是沖突的，因此無法用單目標(biāo)優(yōu)化的策略進(jìn)行解決。多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型一般可以寫成如下形式

minF（x）=［f1（x），f2（x），…，fn（x）］Ts.t."x∈X""XRm （3）

式中：［f1（x）， f2（x）， …， fn（x）］指n個(gè)目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)是目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最??；XRm是變量的約束集合。解決多目標(biāo)優(yōu)化問題會(huì)產(chǎn)生一組解決方案，其中每個(gè)解相對(duì)于其他解都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通常，使用帕累托最優(yōu)的方法來評(píng)估最優(yōu)解。

應(yīng)用在熱管理系統(tǒng)優(yōu)化最流行的多目標(biāo)優(yōu)化方法是遺傳算法（GA），尤其是帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）。NSGA-Ⅱ是一種全局搜索算法，它具有運(yùn)算速度快、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于解決非線性問題。Zhao等［95］設(shè)計(jì)了一種非均勻針腳型冷卻板，利用GA方法對(duì)最高溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、功耗以及冷卻板質(zhì)量進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。Guo等［81］設(shè)計(jì)了一種多通道直接接觸式液體冷卻系統(tǒng)。隨后采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，最終將最高溫度控制在36℃以內(nèi)，而溫差限制在0.65℃以內(nèi)。此外，該結(jié)構(gòu)附件的質(zhì)量比小于10.25%。另一種被大量使用的多目標(biāo)優(yōu)化算法是粒子群優(yōu)化算法（PSO）。Severino等［96］通過粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)中的6個(gè)電池位置，最大限度地減小了功耗以及面積。

表1對(duì)比了目前常用的4種熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法，并從復(fù)雜度、準(zhǔn)確性、最優(yōu)性以及實(shí)際應(yīng)用4個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估?？梢钥闯?，在設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)的過程中，多目標(biāo)優(yōu)化憑借其較好的優(yōu)化效果成為最為廣泛應(yīng)用的優(yōu)化方法。

4.2.2"電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制

控制策略在熱管理系統(tǒng)中占有非常重要的地位。通過對(duì)冷卻方式進(jìn)行調(diào)控，可以有效地降低系統(tǒng)的最高溫度，優(yōu)化溫度均勻性，有助于提升鋰電設(shè)備的工作效率和安全性。

Wang等［97］針對(duì)棱柱形鋰離子電池模組提出主動(dòng)控制往復(fù)冷卻的控制策略。與單向冷卻相比，該冷卻策略在表面最大溫度、中心最大溫度和整體溫度不均勻性方面分別降低了47%、77%和50%。Ma等［98］針對(duì)熱管理系統(tǒng)非線性、參數(shù)時(shí)變和約束條件復(fù)雜的情況，提出了一種非線性模型預(yù)測(cè)控制方法（nonlinear model predictive control， NMPC）優(yōu)化電池冷卻過程。該冷卻策略大大提高了電池溫度均勻性，在不同的工況下，電池模組的溫差均能控制在1.2℃內(nèi)。

其次，合理的控制策略能夠根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，有效降低能量消耗，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。Zhuang等［99］將結(jié)構(gòu)優(yōu)化與冷卻策略設(shè)計(jì)相結(jié)合，采用基于模糊模型預(yù)測(cè)控制的往復(fù)冷卻方法，有效降低了冷卻能耗。與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，作者所提出的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可節(jié)能 76.4%。Guo等［100］提出了多層級(jí)溫度分布精細(xì)控制，電池單體、模組、電池包溫差分別控制在0.8℃，1℃和2℃，同時(shí)能耗降低56.48%。表2針對(duì)文獻(xiàn)［97-100］中的控制策略進(jìn)行了對(duì)比，可以看出，相對(duì)于規(guī)則的控制策略，基于模型預(yù)測(cè)的控制策略在調(diào)控電池模組最高溫度、溫度均勻性和控制能量消耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

與此同時(shí)，電池?zé)峁芾砀郊臒釁?shù)主動(dòng)調(diào)整與控制也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開展逐步關(guān)注，典型的是通過熱開關(guān)改變熱阻，提高電池系統(tǒng)整體性能。Hao等［101］通過記憶合金形成接觸與不接觸以改變熱阻，西安交通大學(xué)Wang等［102］巧妙通過腔體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱阻開關(guān)，使電池在高低溫下均具備了很好的熱管理效果。

5"電池管理新技術(shù)與應(yīng)用

5.1"儲(chǔ)能綜合管理應(yīng)用

在微電網(wǎng)運(yùn)行中，由于光伏、風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度和可調(diào)度性較差，而柴油發(fā)電機(jī)和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備具有慣性，無法快速響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能量調(diào)配，導(dǎo)致微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和電能質(zhì)量問題［103］。電池儲(chǔ)能的發(fā)展很好地彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，電池儲(chǔ)能具有靈活的充放電切換模式以及快速功率調(diào)節(jié)的特征，使得能量在空間和時(shí)間上具有可平移性，能夠平滑可再生能源輸出，轉(zhuǎn)移微電網(wǎng)的峰值負(fù)荷，有助于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖14所示［104］。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供的功能包括：①確保關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施在停電期間的可靠運(yùn)行；②平衡需求；③減少輸電擁堵；④提供輔助服務(wù)；⑤本地頻率和電壓調(diào)節(jié)；⑥峰值需求轉(zhuǎn)移；⑦基于不同電價(jià)策略的儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行［105］。

在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行中，電池儲(chǔ)能參與微電網(wǎng)運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多余光能和風(fēng)能的儲(chǔ)存，同時(shí)平抑風(fēng)光發(fā)電的波動(dòng)，確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)［106］利用儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化光伏發(fā)電和電網(wǎng)的波動(dòng)，并與沒有儲(chǔ)能系統(tǒng)的社區(qū)微電網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比，證明儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化效果。文獻(xiàn)［107］研究了光伏陣列穿透率配電系統(tǒng)中電池儲(chǔ)能的優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)［108］的研究表明，如果將儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生能源相結(jié)合，可以使得微電網(wǎng)系統(tǒng)中燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的燃料消耗減少高達(dá)75%。文獻(xiàn)［109］討論了儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)移的影響，以及負(fù)荷轉(zhuǎn)移帶來的能源套益。

由于以光伏、風(fēng)能為代表的可再生能源技術(shù)具有間歇性，受到自然環(huán)境、瞬態(tài)環(huán)境因素的影響，易對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率產(chǎn)生不利影響，因此可再生能源參與的微電網(wǎng)運(yùn)行普遍存在電能質(zhì)量差、負(fù)載跟隨不足、發(fā)電負(fù)載不匹配、電壓不穩(wěn)定、頻率偏差和間歇性輸出功率等問題，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)能夠很好地解決這些問題。文獻(xiàn)［110］利用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行直流母線電壓調(diào)節(jié)，有效提高了微電網(wǎng)瞬態(tài)/功率突變下的電能質(zhì)量。文獻(xiàn)［111］提出了一種基于多項(xiàng)式和直流母線電壓調(diào)節(jié)控制策略，適用于不同的負(fù)載條件和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)特征。

考慮到建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)成本，確定電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳容量也是研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)［112］利用多尺度決策參數(shù)制定了最優(yōu)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)選型策略，以滿足系統(tǒng)負(fù)載需求。文獻(xiàn)［113］確定了考慮并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)光混合系統(tǒng)的最佳電池儲(chǔ)能系統(tǒng)尺寸，使用電力系統(tǒng)概率指數(shù)來優(yōu)化可再生能源的規(guī)模，最終以降低成本最大限度地提高整體系統(tǒng)可靠性。

5.2"數(shù)字孿生

建立電池?cái)?shù)字孿生（DT）模型的關(guān)鍵在于建立電池多層級(jí)、多維度的幾何、物理、行為、規(guī)則模型，其中每個(gè)模型都描述了電池某一方面的特性或者規(guī)律，如電池的電特性、熱特性和老化特性等。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景將不同模型耦合后，就可獲得電池綜合DT模型。進(jìn)一步想實(shí)現(xiàn)對(duì)電池整體的模擬映射，還需要通過在線參數(shù)辨識(shí)等方法根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)迭代更新電池DT模型。以電池狀態(tài)估計(jì)為例，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電池狀態(tài)估計(jì)和壽命預(yù)測(cè)方法近年來受到廣泛關(guān)注，數(shù)字孿生技術(shù)的引入可以為電池?cái)?shù)據(jù)的高效收集、應(yīng)用、共享，保障數(shù)據(jù)安全［114］提供新的理論框架支持，如圖15所示。

Li等［115］提出了基于DT的云電池管理系統(tǒng)。將自適應(yīng)擴(kuò)展H∞濾波和粒子群算法分別作為SOC、SOH估計(jì)模型，向云端上傳傳感器與邊緣設(shè)備采集的電池?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新估計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)電池SOC和SOH的在線估計(jì)。Baumann等［116］提出了一種數(shù)字孿生系統(tǒng)來估計(jì)和顯示電池的SOH，利用云BMS中的不同模型來估計(jì)電池系統(tǒng)狀態(tài)并預(yù)測(cè)剩余電池壽命。Chun等［117］提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電化學(xué)模型實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)方法。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率公式提取表征電池性能退化和壽命縮短的老化特征。將所選特征輸入電化學(xué)模型，獲取電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)并訓(xùn)練循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠在輸入電壓、電流、溫度等外部數(shù)據(jù)后直接預(yù)測(cè)電池SOC。

在電池?zé)峁芾矸矫?，?shù)字孿生技術(shù)可以在考慮電池單體一致性基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)公開工況、電池狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)需求等實(shí)時(shí)調(diào)整電池?zé)峁芾聿呗?。通常是基于?yōu)化算法和電池歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)先建立電池?zé)峁芾頂?shù)字孿生模型，然后通過真實(shí)電池的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新電池?zé)峁芾頂?shù)字孿生模型［118］。與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，基于數(shù)字孿生的熱管理優(yōu)化方法的最大優(yōu)勢(shì)在于可以借助電池物理實(shí)體和孿生電池模型的虛實(shí)交互，實(shí)現(xiàn)電池的實(shí)時(shí)反饋控制與在線管控。上述思路同樣也適用于電池充電策略優(yōu)化。首先確定充電基本策略，如多級(jí)恒流充電、脈沖充電、多級(jí)恒熱充電和交流充電［119］。然后根據(jù)具體需求設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，如充電時(shí)間、電池剩余使用壽命等，同時(shí)基于反應(yīng)機(jī)理設(shè)置邊界條件，如最大充電速率、最大溫升等。然后將上述參數(shù)輸入數(shù)字孿生模型，模擬電池充電過程及容量、老化、溫升等參數(shù)變化情況。利用遺傳算法、粒子群等優(yōu)化算法迭代計(jì)算最優(yōu)參數(shù)，并根據(jù)最優(yōu)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整充電電流，實(shí)現(xiàn)充電過程的動(dòng)態(tài)控制。

6"結(jié)論與展望

隨著電動(dòng)汽車鋰離子電池能量密度逐漸提高，車用電池的使用性能、壽命、安全性等變得愈發(fā)重要，目前車用儲(chǔ)能電池種類、性能、規(guī)格差異較大，電池管理對(duì)電池安全、內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)、故障診斷、一致性控制等功能實(shí)現(xiàn)具有重要意義。電池管理技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，在電池管控的先進(jìn)設(shè)計(jì)和功能等方面已經(jīng)具有長(zhǎng)足進(jìn)展。然而，目前在各個(gè)環(huán)節(jié)均有不足之處，未來的研究工作在以下方面有待進(jìn)一步開展。

（1）電池多物理場(chǎng)建模以及在線應(yīng)用：構(gòu)建從局部到整體的高效計(jì)算方法，研究高效的分布估計(jì)方法有助于提升計(jì)算效率；深入研究多物理場(chǎng)耦合機(jī)制進(jìn)一步提高電池模型的預(yù)測(cè)精度與泛化能力；探索模型驗(yàn)證與表征手段的應(yīng)用，開發(fā)更多電池內(nèi)、外部多物理維度的驗(yàn)證手段，提高電池建模理論與參數(shù)辨識(shí)的可信度。

（2）快速、高精度的電池狀態(tài)估計(jì)方法：探究電池內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析手段，開發(fā)更加精準(zhǔn)的模型和算法來準(zhǔn)確估計(jì)電池的內(nèi)部狀態(tài)；開展電池的失效機(jī)制和壽命預(yù)測(cè)研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池剩余壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。結(jié)合多源信息融合技術(shù)開發(fā)智能化的狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)，自適應(yīng)電池的實(shí)際工作環(huán)境和工況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的狀態(tài)估計(jì)和優(yōu)化控制。

（3）早期、魯棒性強(qiáng)的電池故障診斷方案：開發(fā)動(dòng)力電池系統(tǒng)早期故障的預(yù)警，深入研究故障觸發(fā)機(jī)理追溯、追溯故障根源，大幅提升故障檢測(cè)靈敏度；研究故障處理方案，對(duì)故障進(jìn)行早期預(yù)警和處理。

（4）高效率電池均衡及重構(gòu)技術(shù)：研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)且高效的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；開發(fā)高效均衡控制策略進(jìn)一步提升均衡效率，降低計(jì)算復(fù)雜度；結(jié)合電池重構(gòu)系旁路隔離特性，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性，并提高系統(tǒng)的使用壽命。

（5）高換熱效率、高集成度的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)：設(shè)計(jì)高效換熱、低成本以及輕量化的電池?zé)峁芾斫Y(jié)構(gòu)；探究全天候以及極端環(huán)境下電池的快速加熱及冷卻措施；研究熱失控情況下熱的隔絕以及保護(hù)措施。研究響應(yīng)速度快、控制精度高、能耗低的熱管理控制策略。

（6）電池管理新技術(shù)的集成開發(fā)：開發(fā)微電網(wǎng)中光儲(chǔ)充檢一體化系統(tǒng)的控制方案，以實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、平抑、頻率控制和成本控制。探究數(shù)字孿生技術(shù)在電池模型構(gòu)建迭代、健康狀態(tài)預(yù)測(cè)、熱失控等問題的應(yīng)用，推動(dòng)電池管理系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、集成化發(fā)展。

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（編輯"劉楊"陶晴）