智鋰物聯(lián)李立國(guó)：基于鋰電大數(shù)據(jù)的云控電池管理技術(shù)
速記：
《基于鋰電大數(shù)據(jù)的云控電池管理技術(shù)》
非常感謝!我們公司叫智鋰物聯(lián)，是歐陽(yáng)明高院士團(tuán)隊(duì)在電池大數(shù)據(jù)分析相關(guān)技術(shù)的一個(gè)科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)，我們主要定位像新能源汽車、儲(chǔ)能、兩輪車等鋰電池應(yīng)用場(chǎng)景提供電池的大數(shù)據(jù)安全分析，以及資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理解決方案的業(yè)務(wù)。
鋰電池應(yīng)用規(guī)模高速增長(zhǎng)，目前已經(jīng)進(jìn)入TWh時(shí)代，隨著電池應(yīng)用規(guī)模的推廣，火災(zāi)問題凸顯，目前也是影響我們產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重大隱患。目前電池安全主要是由BMS來進(jìn)行管理的，但新能源汽車的發(fā)展和事故的呈現(xiàn)向我們展現(xiàn)了一個(gè)問題，嵌入式的BMS實(shí)際上并不能非常好地管理好電池的安全，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問題?
第一，鋰電池的特性極其復(fù)雜，在有限的開發(fā)周期內(nèi)很難進(jìn)行全生命周期特性測(cè)試、建模和標(biāo)定，同時(shí)電池安全問題有很多偶發(fā)問題，在BMS開發(fā)階段很難有充分的樣本建立安全的模型，并且進(jìn)行標(biāo)定管理。所以，就造成了傳統(tǒng)BMS模型不完備性，以及對(duì)壽命衰減后期功能的不精準(zhǔn)性，這些都為電池的安全帶來了隱患。
第二，同時(shí)也使它不具備對(duì)電池安全故障有效地診斷和預(yù)警功能。
第三，現(xiàn)在電動(dòng)兩輪車有很多是梯次利用電池，其實(shí)不具備一致性，不具備一致性的產(chǎn)品BMS就沒有辦法進(jìn)行一致性測(cè)試、標(biāo)定和控制，使得我們梯次電池的安全性是極差的。
這三點(diǎn)問題我們可以通過云控電池技術(shù)來進(jìn)行解決，云控主要是基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算兩項(xiàng)技術(shù)，積累了長(zhǎng)期大規(guī)模電池?cái)?shù)據(jù)，能夠捕捉安全隱患的變化情況，實(shí)現(xiàn)安全特性和質(zhì)量缺陷發(fā)展特征的建模和識(shí)別，進(jìn)行算法標(biāo)定。
再者，具備實(shí)施更新能力，通過算法的標(biāo)定可以將新的算法、新的模型下載到邊緣端的BMS，使得BMS隨著電池壽命的衰減，能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行更新，保持運(yùn)算精度以及安全管理能力。
這是云控帶來的技術(shù)潛力，這就是我們對(duì)它的天生缺陷以及用戶使用上的濫用和誤用的總結(jié)，通過故障診斷預(yù)警、工況匹配識(shí)別和下行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了云控制，就使電池管理系統(tǒng)具備了全生命周期的精度、適應(yīng)性和算法不斷地快速迭代能力。
云控電池管理系統(tǒng)的基本構(gòu)架，左邊是我們現(xiàn)有常用電池和電池的保護(hù)板或BMS系統(tǒng)，加裝一個(gè)云控安全模塊，通過總線可以和保護(hù)板進(jìn)行智能通訊，獲得數(shù)據(jù)，下發(fā)下行的控制指令，和云端實(shí)現(xiàn)一個(gè)變頻的數(shù)據(jù)傳輸，從云端接收安全控制指令和標(biāo)定數(shù)據(jù)，云端長(zhǎng)周期的存儲(chǔ)、運(yùn)算給邊緣端提供算法上的支持，同時(shí)也是我們后續(xù)運(yùn)營(yíng)和管理平臺(tái)的一個(gè)接口，算法也可以通過專家團(tuán)隊(duì)不斷地對(duì)新發(fā)生的故障、算法漏洞進(jìn)行優(yōu)化和迭代，形成人機(jī)協(xié)同的閉環(huán)。
這是我們典型的產(chǎn)品，一個(gè)是加天線的，一個(gè)是集成天線一體化的，在電池內(nèi)部的連接跟無線模塊非常像，用的也是標(biāo)準(zhǔn)的無線模塊通訊接口，可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部的安全接電器，我們發(fā)現(xiàn)電池?zé)崾Э氐臅r(shí)候，原因是過充，發(fā)現(xiàn)信號(hào)是關(guān)斷的，但還有電流，主要是MOS在保護(hù)關(guān)斷的時(shí)候被擊穿了，這種情況下就需要一個(gè)一次性短路開關(guān)把它斷掉，這可以極大地提高安全性。
同時(shí)，我們可以實(shí)現(xiàn)跟充電機(jī)、跟電機(jī)控制器、智能儀表和手機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)智能化管理，具備4個(gè)環(huán)境溫度和連接點(diǎn)溫度的監(jiān)控，可以做加熱控制和熱安全管理，具備跌落和暴力操作監(jiān)控，這主要是面向我們租賃的電池，以及電解液的泄漏。軟包其實(shí)比較容易發(fā)生電解液泄漏的故障，也是起火的一個(gè)主要原因。
有防盜報(bào)警，也有起火報(bào)警，可以實(shí)現(xiàn)升級(jí)雙向變頻傳輸，BMS遠(yuǎn)程標(biāo)定，以及安全短路的功能，雖然它的功能比較復(fù)雜，也很強(qiáng)大，但其實(shí)能耗并不高，正常工作的能耗大概是50毫安，在非工狀態(tài)下可以達(dá)到每個(gè)月48伏20安時(shí)來講1%的SOC消耗，電芯的技術(shù)指標(biāo)是28天，常溫的自放電率是5%以下，這個(gè)水平接近于電池的自放電水平，并沒有增加電池存儲(chǔ)的難度。
安全電池算法的應(yīng)用實(shí)例，這塊電池在熱失控兩個(gè)月之前就發(fā)生了6號(hào)電芯析鋰的報(bào)警，但析鋰分輕度和重度，不是一報(bào)警就不讓用了，因?yàn)槭且粋€(gè)常見的故障，我們會(huì)看故障的演化，在故障前一天連續(xù)發(fā)生了熱安全異常，只是指標(biāo)的一個(gè)報(bào)警，自放電檢測(cè)的報(bào)警、內(nèi)短路的報(bào)警，這些報(bào)警都出來了，基本上內(nèi)部就有嚴(yán)重的問題。
最后，提前30分鐘通過各個(gè)指標(biāo)綜合情況，以及自放電率惡化程度、溫升，就判斷它已經(jīng)進(jìn)入到熱失控發(fā)展歷程了，我們客服就打電話給小哥，把電池拎出來扔在了路邊，半個(gè)小時(shí)之后就開始冒煙了，大概一個(gè)小時(shí)之后就起火了，這是一個(gè)非常典型的事故。
后來我們加嚴(yán)了指標(biāo)控制，這塊電池也是先發(fā)生了析鋰，大概提前了1個(gè)月時(shí)間，析鋰故障之后，又連續(xù)發(fā)生了自放電、內(nèi)短路、以及安全報(bào)警指標(biāo)的異常，我們就覺得不能再放了，就提前跟客服把電池要了回來，我們就去實(shí)驗(yàn)室拆了，做極片的外觀、極片的核磁共振，發(fā)現(xiàn)顯著的析鋰。
這樣就完成了發(fā)生一次事故進(jìn)行了一個(gè)連續(xù)記錄以及特征識(shí)別，我們找到了故障閾值，在下一次就可以找到合適把它撤回的維修點(diǎn)。
系統(tǒng)大概一年時(shí)間，總共監(jiān)控了35萬(wàn)塊電池，累計(jì)發(fā)生了6次熱失控的預(yù)警，只有一次是誤報(bào)，最短是提前了10分鐘發(fā)出警報(bào)。我們客服進(jìn)行應(yīng)急處理，打電話給騎手，讓他把電池拎出來，目前為止我們沒有燒過一輛車，也沒有傷過人，也沒有發(fā)生過火災(zāi)。
基于技術(shù)先進(jìn)性、以及成熟的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，拿下了北京市電動(dòng)自行車電池安全風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)的科研項(xiàng)目，后續(xù)會(huì)在北京市推廣相關(guān)的技術(shù)，一個(gè)區(qū)一個(gè)區(qū)的進(jìn)行示范。
云控BMS另外一個(gè)應(yīng)用是故障診斷，現(xiàn)在我們常見的物聯(lián)網(wǎng)電池平臺(tái)能做到數(shù)據(jù)上傳、觀測(cè)，以及BMS報(bào)警處置和管理，其實(shí)BMS算法不是很強(qiáng)大，特別是兩輪車，可靠性和算法能力都是很弱的，實(shí)際上它的管理也不是很有效。我們是通過大數(shù)據(jù)分析，以及故障庫(kù)的建立，可以分析到不同子系統(tǒng)故障分類，也能夠基于人工智能方式去預(yù)測(cè)故障演化的速度、故障時(shí)間，就實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)性運(yùn)維，就預(yù)測(cè)一周或一個(gè)月有影響用戶體驗(yàn)的故障，我們就可以安排人去修、去換，跟客戶進(jìn)行提前處置，就降低了安全問題，也提升了用戶體驗(yàn)。
基于云控管理平臺(tái)，可以自動(dòng)對(duì)一些輕微的故障、用戶的濫用，做充電電壓、充電溫度、電流的優(yōu)化管控，可以解決安全問題和壽命優(yōu)化問題。
還有一些問題自己處理不了，就是壞了，這時(shí)候會(huì)按照故障預(yù)測(cè)或報(bào)警信息，把它推給運(yùn)維調(diào)度管理平臺(tái)，它會(huì)給客服、地面運(yùn)維人員發(fā)工單對(duì)客戶進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的運(yùn)維操作。
我們?yōu)榱蓑?yàn)證平臺(tái)，大概投了2000塊電池，峰值運(yùn)營(yíng)數(shù)量在1400、1500，這是它整個(gè)運(yùn)營(yíng)過程中客服人員招聘，建立客服能力，到不斷地提升客服處理效率的過程，可以看到智能運(yùn)維還有一個(gè)智能客服的功能，會(huì)根據(jù)客戶的數(shù)據(jù)處理，把處置的方案告訴客服，客服不用非常專業(yè)，照著念就行，非常容易建立跟騎手的信任，騎手一般打電話過來都是很暴躁的，一頓罵，你要說不到點(diǎn)上可能就不理你了，這個(gè)事就解決不了，但客服就會(huì)告訴他剛才是什么情況，因?yàn)楝F(xiàn)象是對(duì)應(yīng)的，是有話術(shù)的，這是系統(tǒng)自動(dòng)分析出來的。
你告訴他你剛才正在跑，大概5分鐘之前不動(dòng)了，他覺得你了解情況，可以聊了，然后告訴你其實(shí)是車的問題，不是自己的問題，或者再重啟一下就解決了。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)解決的故障排除率有60%、70%，有很多時(shí)候是誤用或車的一些問題。
云控電池的殘值評(píng)估，這對(duì)電池運(yùn)營(yíng)商非常重要，大家非常關(guān)心一批電池投下去是一年換，還是兩年換，還是三年換，實(shí)際上不到最后一年不知道，這對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說踩了很多坑，像早期換電運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該還是非常有體驗(yàn)的。
這是我們幫一個(gè)頭部共享電單車企業(yè)做的電池資產(chǎn)狀況評(píng)估，非常可以直觀地看到它現(xiàn)在持有所有電池的容量狀態(tài)，大概有萬(wàn)分之幾的電池在一年的時(shí)候就衰減到了質(zhì)保限，這些就可以提前讓廠家更換。
廠家BMS自帶的SOH功能觸發(fā)它進(jìn)行標(biāo)定的機(jī)會(huì)比較少，而且標(biāo)定精度也是比較低的，我們發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析健康度和BMS報(bào)出的健康度差異非常大，基本上BMS自己報(bào)的健康度沒什么大用，1萬(wàn)塊電池抽了50塊做了容量在充放電機(jī)上的標(biāo)定，我們的精度可以在5%以下。
殘值評(píng)估多維度的評(píng)價(jià)圖，從5個(gè)維度對(duì)電池的健康度做了綜合評(píng)價(jià)，這是電池壽命的優(yōu)化，主要有兩個(gè)思路。壽命建模，把壽命工況加進(jìn)來之后，分析預(yù)測(cè)它的壽命衰減，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室很好用，現(xiàn)實(shí)中不太好用，因?yàn)楣r變化太大了，標(biāo)定建模范圍也太大，所以我們采用了另外一個(gè)方式，基于模型機(jī)理，但不能直接用它的參數(shù)，用大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照每個(gè)機(jī)理參數(shù)做敏感度分析，再做類比，最后優(yōu)化出一個(gè)使用區(qū)域，通過它來指導(dǎo)云控系統(tǒng)，對(duì)客戶的電池進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，這樣就可以對(duì)壽命進(jìn)行優(yōu)化。
云控BMS還有一個(gè)很有意思的應(yīng)用，也是我們最近發(fā)現(xiàn)的，跟一些高端電摩客戶交流的時(shí)候發(fā)現(xiàn)精準(zhǔn)的電池狀態(tài)分析功能，以及硬件和數(shù)據(jù)可以衍生出很多智能化功能，可以基于智能電池來實(shí)現(xiàn)整車智能化，這可能對(duì)很多自行車企業(yè)挺有用，因?yàn)楹芏喑潭壬峡s短了開發(fā)周期。
主要體現(xiàn)幾個(gè)方面：
第一，低溫充電。一個(gè)是析鋰影響壽命，一個(gè)是吸鋰影響電池安全，一個(gè)是真充不進(jìn)去。我們可以對(duì)電池進(jìn)行一個(gè)智能加熱，根據(jù)你出行時(shí)間、作業(yè)工況來優(yōu)化加熱過程，使電池的溫度處于動(dòng)態(tài)變化保溫的狀態(tài)，這樣可以保持你使用的性能，包括低溫放電壓降很大的問題，實(shí)際上對(duì)用戶來說就是一擰油門就斷電了，當(dāng)然我們也可以通過485總線和電機(jī)控制信息通訊實(shí)現(xiàn)油門解釋和功率管理，避免低溫的時(shí)候一擰就斷電，而是擰了之后很慢但能夠走。
第二，精準(zhǔn)的里程預(yù)測(cè)。電動(dòng)兩輪車有個(gè)問題“虛電很嚴(yán)重”，基本上剩1/3大家都不敢騎了，我們把汽車剩余電量估計(jì)、可用能量估計(jì)的算法和能耗算法相結(jié)合，因?yàn)槲覀冇蠫PS所以可以做能耗的分析，可以把續(xù)航里程進(jìn)行估計(jì)，如果沒有坡的話能夠到1公里的精度，可以極大地提升高端兩輪電動(dòng)車客戶體驗(yàn)。
第三，安全事故報(bào)警。
第四，電池的健康度管家。方便他評(píng)估電池什么時(shí)候該換，以及電池好壞。
第五，整車防盜。
第六，預(yù)約充電等。
還可以做的是基于電池和電機(jī)控制器的通訊，實(shí)現(xiàn)汽車級(jí)的駕駛體驗(yàn)，這是我認(rèn)為對(duì)高端電動(dòng)摩托車很重要的一點(diǎn)。比如現(xiàn)在有時(shí)是輕擰不動(dòng)，稍微擰重點(diǎn)就跑出去了，這個(gè)體驗(yàn)其實(shí)就不太好。
我們一些解決方案也在高端摩托達(dá)芬奇有一些應(yīng)用，在我們很多Pack企業(yè)要求下，他們想給租賃客戶提供一個(gè)完整解決方案，我們也開發(fā)了一個(gè)鋰電池租換平臺(tái)，配套我們產(chǎn)品給電池企業(yè)提供，目前也運(yùn)營(yíng)了3年，系統(tǒng)也非常穩(wěn)定。
最后，基于云控BMS基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)架，結(jié)合客戶需求和市場(chǎng)需要，形成了一個(gè)完整的數(shù)字化電池運(yùn)營(yíng)解決方案，包括數(shù)據(jù)管理和電池資產(chǎn)管理后臺(tái)，這更傾向于大數(shù)據(jù)和技術(shù)后臺(tái)，面向租賃、換電、場(chǎng)景運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)，電池資產(chǎn)運(yùn)維管理平臺(tái)。
我的分享就到這里，謝謝!
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