【电动汽车百人会】英国帝国理工学院教授GregoryJamesOffer:多尺寸电池的建模研究

 发布时间:19-11-04

1月11-13日,中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆召开, 英国帝国理工学院教授Gregory James Offer发表了主题演讲,演讲内容如下:

英国帝国理工学院教授Gregory James Offer

大家好!谢谢刚刚欧阳院士对我的介绍,也谢谢主办方能够邀请我,也谢谢我们刚刚发布的新的期刊能够邀请我成为编委的一员。我今天非常荣幸能够参会,因为今天我参会也是学到了很多现在中国电动汽车产业所取得的最新发展和在全球的领先地位,所以我也感到非常的兴奋,我也认为中国现在扮演一个领先者的角色。其实也是我们世界电车产业所需要的。

我来自帝国理工学院,我来自英国伦敦,我们可以看到在工科其实是覆盖了很多技术方面的研究,这一页就给大家简单介绍了一下我们涉及到的领域。我们希望能够在科技和工程之间架起一座应用的桥梁,能够真正去帮助产业解决一些问题,所以我们发明了工具,我们也会钻研更多的知识,希望工程师能够用到我们这些技术,能够去解决更多的问题。

同时我还要提到,在英国我们的政府在过去几年里面也是在电池研发方面,进行了大量的投资。在过去两年以及未来两年当中,我们大概是已经在一些基础研究方面拨了2500万英镑大量的投资,能够用于这个产业,同时也是很多的项目,很多关于电池的研究,都是由政府和法兰地研究所资助和支持的。

而我现在我所主要研究的这个领域和项目其实就是关于多尺寸、多尺度电池的建模,希望能够通过我们的项目,能够把电池系统的一些问题更好的优化解决,能够有更好的产品,并且在真正模拟的环境当中,能够去更好的充分利用我们的资金,降低成本,能够更好的解决问题。当然,关于在电池降解方面以及固态电池和电池循环利用方面,我们都做了很多深入的研究,这几大不同的领域也都是在过去三年里面吸引了超过一千万美元的投资,而在我的主要项目当中,我们主要是有五个维度,第一个是低温运行,还有就是快充,当然还有电池研究,电池设计以及在建模方面,用于更好的电池管理和控制。我们也都是建立了不同的电池降解的机制,来进行研究,当然这方面研究上的挑战是不少的,但是我们希望克服这些问题。

而我和我在英国的同事也是在过去几年里面进步了很多,我们取得了很多的进展。我们和涉及到八个学术领域的很多部门共同来携手研究,同时我们和产业的合作也非常的密切,所以这一页也都是给大家展示了我们现在在产业各个领域的合作伙伴。就像我刚才说的,我们是希望和产业的合作能够帮助我们将纯技术转化到应用方面,让工程师能够帮助我们更好的去解决这些问题。这里有两家中国企业的LOGO,我们和BRAM还有和上海一些企业合作的非常好。

同时,我们也在和应用相关的问题上做了很多的研究,他们都是和我们实际的应用场景紧密相关的。包括我们也是做了很多的试验,建了很多的模,来研究我们自己电池的设计,我们也通过我们的技术,更好的去做电池包的设计和检测,优化我们的系统。同时,我们做的很多工作也都是和BIM也就是电池管理系统有关,希望能够在BIM当中嵌入我们的模型来进行检验。这就是我们这个团队的一个简单介绍。

这里我要给大家介绍三个案例,这三个案例也是代表了我们所做的三种不同的研究。在之后我们像刚刚发布的新期刊,我们也会提交这三个领域有关的一些论文。第一个就是关于热管理方面,过去五年我们一直在做这个领域的研究,就是如何能够在电池的热管理说,能够做一个更好的控制,包括电池包温度的控制,我们也是做整个电池包的试验,来看一下在不同的环境当中会遇到什么样的问题,所以几年之前,我们就已经开始做这个研究,并且发表了一些文章。

右边大家可以看到(PPT),我们研究出来的成果就是通过这个电池表面上面的tab,可以更好的进行冷却,它的效果会更好。如果电池出现了散热方面的问题,可能就会加快它的降解,所以它的寿命就会更短。有了这个,我们就知道它的挑战究竟在哪里了,所以我们就通过我们的模型去进行验证,更好的去了解它背后的原因是什么。我们用了很多的时间,花在了建模上,通过这个建模,是可以给我们提供一些数据,并且我们有了新的发现。也就是更加了解了它的热管理的极限和障碍在哪里,所以可以看到它的热管理和电池之间的互动可能不是那么顺畅,出现了一定的问题,所以可能问题就出现在这个tab上面,我们就希望能够通过这个tab来去进行冷却。这就让我们明白热管理的瓶颈在哪里,我们没有更好的利用tab进行散热,而利用表面给它一个很大的限制。有时候可能通过tab没有办法进行直接的冷却,所以需要用tab结合表面的冷却,能够更好的去进行温度的一个控制。

这是给大家举一个例子,这也是油管上的一段视频,大概四分钟的视频,能够清晰为大家解释一下它是如何进行运作的,右边就有油管视频的链接。自从我们发布这个视频以后,已经有超过1800万次的流量,现在在国内可能我们无法直接观看油管的视频,所以大家可以之后去看一下。大家可以给我发邮件,我会给大家直接发送这个视频的附件。

另外就是我们也做了单体电池的建模,我们在电池单体内部做了很多研究,并且我们发现这种热耦合其实是非常关键的。比内部进行所有的反应过程可能都要重要,所以我们在进行热耦合的时候做一个好的热管理和控制。这个对于电池整个的热度控制来说是非常重要的,也能够提高电池的运行性能。我们这里可以看到,如果热耦合能够做好的话,其实我们能够精确到20C的这种放电和充电的过程。当然我们也有一些相关的理论,包括20-40项的参数,非常复杂,并且价格也非常高昂。很多时候还是不可行的,所以我们想要设计出的这种模型其实就是能够更好的进行一个实证的参数化,我们也花了大概两周的时间去做这个研究。但是仍然还是存在着一些电池本身属性的问题,所以我们想要结合这一点,做一个原位的诊断。

而我们所研发出的这种技术就叫做健康状态的一个预测,它其实是一个比较简单的通过芯片来进行诊断的技术。可以获得有关温度等等的一些信息,也就是电池内部温度的一个控制。当然它有一定的优缺点,优点就包括即使电池并联的时候,你也可以做到,并且可以去获得一些相关的数据。但是它的缺陷就在于,你是需要去进行温度管理,但是温度的数据有时候不好获得,所以这是它的一个限制。如果进行其他操作的话,可能成本会更高。但是这个技术其实是非常敏感,也非常强大的,这里我们做的就是通过这样一个诊断,能够给我们很多的信息,让我们去进行相关的比较。尤其是关于在降解的时候电池的一个健康状态,它的信息是什么,它可以给我们相关的信息,同时我们可以诊断出这个电池到底出现了什么问题。当然,并联的这个电池,我们也可以在电池充电的时候来进行这个诊断。同时,我们也可以和其他的诊断技术来进行比较,也就是文献当中已经提到的,做的相关的一些分析,我们可以用1C或者2C的充电来进行比较。当然你要获得足够的热量来进行相关温度的监控,它可以很理想的为我们所应用的。

当然我们还有关于下一代的电池,也就是锂硫电池,我们在过去研究了很多,研究锂硫电池,我们研究的固态电池还有其他形式的电池,我给大家看一下我们的一些研究成果。但是这个研究成果还不是特别成熟,这些技术,其实巴斯德在锂硫电池方面是比较先进的,他们也是做的最好的。同时我们也在具体一些电机方面做了一些相应的实验,我们发现跟锂离子电池相比,锂硫电池是比较特殊的。在放电的时候,电压会增加,所以在正常的情况下,我们这样一种充电就不可能了。而且在这个过程中,充电和放电过程中会发生变化,接下来一个PPT给大家展示这个变化。

大家可以看到这样一个阻力的变化,它会造成这个沉淀的产品堆积,会关闭电芯。而且它本身也会变得越来越小,包含损失项或者航空器的机构相结合也至关重要。这个过程中,它的传导性不那么强了,所以这个机制就显得特别重要。这样一个沉淀就变得固态,这个过程中它会减少,意味着什么呢?我们会发现这样一个放电的过程就变得不那么明显。这样我们才能更好的去恢复周期,由模型预测,并通过实验的验证。从一个周期到另一个周期,我们可以看到这是我们预测的一个模型,这表明在之前的理解,这个锂电池的生命周期它并不代表终结。电芯可以回收,这样沉淀的过程,可以逆转的。通过这样一个模型的研发,我们了解到这样一个电池的周期,通过三次的放电了解。

我们之前提到了它的沉积性,它可以让我们获得一个很强烈的反馈。我们发现放电会更快,热阻也会降低,这时候我们就获得了双倍的积极反馈。通过这种方式,锂硫电池会变得至关重要。

这是我最后一张PPT了,我们结合了我们诊断相关的技术,还有我们升级的一个模型,我们使用热耦合相关的技术,所以我们可以通过这些来预测充电技术的走向。这样我们可以获得更高的容量,我们可以去降低放电所产生的能量流失。同时,这可以让我们更好的优化充电,可以更好的实现回收,对能量的回收。

我也想感谢大家能够聆听我的演讲,大家可以跟我交流,也可以给我发邮件,去进行深层次的一个交流和问答。很期待你们跟我沟通。谢谢!

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