借助人工智能实现电池精确洞察

由于其高能量和功率密度，锂离子电池目前已成为电动车储能的首选。但锂离子电池的特性会随着车龄的增加而发生变化：电池老化会降低存储容量和最大可用功率。这种电池老化现象在其他设备应用中也广为人知，例如智能手机或笔记本电脑。这是电池中化学反应过程的结果，原则上不能避免（另请阅读第 51 页的电池老化过程说明）。

电池当前的老化状态是电动车驾驶者所需的重要信息。“通过了解电池当前的老化状态，驾驶者可以非常精确地估算出一定电量下的剩余续航里程。”保时捷工程集团人工智能专家约阿希姆·舍珀博士（Dr. Joachim Schaper）解释说，“汽车制造商也可以从电池的老化情况中获取重要信息，例如最大可用功率或需要维修的技术异常。”保时捷寻找的，是一种能够尽可能可靠地提供有关电池老化状态信息的方法。

最重要的指标就是电池内阻。由于储能设备内的变化不可逆，且内阻在电池使用寿命期间会不断提高，所以电池内阻是表明电池“健康状态”的良好指标。但是，内阻无法直接确定，必须根据各种测量值进行计算。为此，电池中安装的传感器会定期检测电流强度、各个电池单元的电压以及电池组的温度。

借助等效电路，可利用这些测量值计算出电池的当前老化状态。此时，可通过电池内阻、电池容量以及电阻器与电容器（RC 元件）的两种组合方式来建立储能设备行为特征的数学模型。“在行驶过程中，功耗会反复变化，比如当驾驶员踩下油门时。这就会导致电流和电压测量值跳变。通过这些跳变可以计算出电池的内阻。”保时捷工程集团布拉格分公司的吉里·瓦尔特（Jiří Valtr）解释说，“具体来说：在给定电流跳变的情况下，电压跳变越高，内阻也就越高。”

但是，这一常规方法却有一些缺陷：等效电路图中的电阻器与电容器的值并不是常数，而是取决于温度和电池荷电状态（SoC）的变量。即使将所有这些影响因素全都纳入考量范围，这一模型仍不足以精确表示电池的实际状态。“造成这种情况的原因之一是低温下的非线性。所以，电池的变化会和传统电阻器有所不同。”瓦尔特解释说，“这就是我们要用一种更先进的确定内阻的方法来代替传统模型的原因。”他于 2012 年起成为保时捷工程集团布拉格分公司电池管理软件研发团队的一员。团队专家们曾参与研发整个大众集团所使用的系列软件，从而能够将其积累的丰富知识和多年经验运用到工作中。

研发人员在工作中离不开人工智能。首先，他们要在测试台上的某些边界条件下测量电池内阻。此外，在使用机器学习的实车行驶中会确定一个校正因子。利用这一校正因子，可以将温度和充电状态等外部影响纳入考量范围，从而更精确地计算电池内阻。用于计算校正因子的数据来源各异。来源之一是在各种环境条件下，比如在不同的温度、驾驶循环以及充电行为下，对内阻进行的长期测试台测量。另外一些珍贵的数据则由测试车队提供。“这些数据中还包含我们目前无法考虑的影响。”瓦尔特说，“其中包括外部温度、已进行的充电和放电循环次数以及驾驶风格。”

新方法可为车主提供更精确的剩余续航里程预测，系统会随驾驶时间的增加不断学习，例如可以越来越多地将车主的个人驾驶风格纳入考量。此外，还可以根据电池健康状况采用不同的充电策略：如果储能设备已经显示出明显的老化迹象，则可以通过特别缓慢的充电方式来保护设备。新方法可针对车辆中控制单元的有限计算能力进行量身定制，并且已申请了专利。

通过云端评估还可获得更加全面的电池健康状态信息，因为云端计算能力没有限制。比如，汽车制造商可以在云端评估电池中的温度曲线，并由此了解整个车队的状况。“原始设备制造商可以从这些分析中发现新的关联性。”舍珀说，“其中一个有趣的问题就是，哪些因素决定了电池的老化。这可能是客户的驾驶方式，但也可能是由充电软件的问题所致，或是电池供应商的原因。”最终的目标是通过数据分析在未来进一步改善电动车。

这项新的电池内阻计算方法已经非常先进。借助机器学习，开发人员已经可以利用测试台数据、测试车辆数据以及客户车辆的日志文件为电池老化过程创建模型。云解决方案目前正在研究之中。在大约两年后，客户应该可以从新的续航里程计算方法中受益，然后将其逐步集成到各种车型中。

还可将之前在内部电阻计算中未包括的温度或驾驶风格等影响因素纳入考量范围。

可将真实的电池视为理想电压源与电阻器（R）和电容器（C）的组合而建模。通过这种方法可以描述电池在静态和动态负载下的行为特征，例如电流上升时电压会下降。

在电池的老化过程中，有两种效应会互相叠加：日历老化和循环老化。日历老化与电池的使用情况无关，就是说即使在没有负载的情况下也会限制储能设备使用寿命的一种老化。它主要取决于荷电状态（SoC）和存放温度。

电池电量越高，容量下降得也越快。高温也会加速日历老化。具体来说：温度每升高 10 开尔文，电化学元件的老化速度就会增加一倍。

在电池工作时，循环老化会与日历老化效应相叠加。放电深度（DoD）是循环老化的一项重要指标。它表示所用能量与电池总能量的比率。例如，80 % 的放电深度意味着仅使用了总能量的 80 %。放电深度越高，电池老化也越快。此外，还要考虑荷电状态边界。在 20 % 的荷电状态下充电至 100 %，可以实现 80 % 的放电深度。从10 % 的荷电状态充电至90 %，同样也可以获得 80 % 的放电深度。通常，荷电状态越高，循环老化效应越强。

电池放电 C 率也对循环老化有着重大影响。基本上，高 C 率以及由此产生的高电流会加速循环老化，而高充电电流对循环老化的影响要明显高于高放电电流的影响。

在使用大电流进行快速充电期间，电池单元中可能会发生不良的化学副反应：金属锂会沉积在阳极表面（镀锂），与电解质反应并形成新的覆盖层，这一过程中将消耗更多的锂离子。这意味着可用于能量存储的锂离子减少，从而导致不可逆的容量损失。为了避免这种副反应发生，保时捷专门研发了一款特殊的快速充电程序，可精确适应每个电池单元的不同情况。

放电深度代表所用能量与电池总能量的比率。

温度每升高十摄氏度，电池老化速度增加一倍。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2020年第1期。

文字：Christian Buck
共同撰稿：Jiří Valtr、Joachim Schaper 博士

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