20電動汽車動力電池強時變非線性的解析建模與狀態(tài)量高精度估計

1、2019年度國家自然科學(xué)獎提名公示材料項目名稱電動汽車動力電池強時變非線性的解析建模與狀態(tài)量高精度估計提名單位教育部提名意見（不超過600字）該項目面向國際前沿和國家戰(zhàn)略，在電動汽車動力電池管理核心理 論和方法方面做出原創(chuàng)性引領(lǐng)貢獻：提出并建立了動力電池機理-頻域- 電氣特性綜合解析模型，深度揭示了動力電池輸出電壓特性與其內(nèi)部參 數(shù)和狀態(tài)間的非線性、時變映射規(guī)律，應(yīng)用信息熵理論提出了模型復(fù)雜 度與預(yù)測精度和實時性之間的協(xié)同計算準則；通過電池狀態(tài)與輸出靜、 動態(tài)電壓特性重構(gòu)，提出了兩類融合模型和現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)估計方 法，建立了動力電池靜態(tài)電勢在線辨識N階時序遞推方程和多時間尺度、 多算法融合

2、的多狀態(tài)協(xié)同估計器；建立了動力電池組不確定性量化模型， 揭示了不一致性對其性能衰退的耦合效應(yīng)和演化機理，首次提出了動力 電池組狀態(tài)分段估計準則以及表征單體的篩選和動態(tài)更新方法，解決了 動力電池組和單體間的狀態(tài)等效估計問題。項目成果得到Shixue Dou、 Stefan Pischinge、Jinyue Yan、歐陽明高等院士和學(xué)木同仃的正面評價， 成功用于北汽新能源、鄭州宇通客車、聯(lián)合汽車電子等企業(yè)。8篇代表作SCI他引1150次，其中3篇入選“中國百篇最具影響國際學(xué) 術(shù)論文”、2篇獲SCI期刊年度最佳論文獎。完成人任IEEE ITEC2014、 ICAE2016等大會主席，作國際會議特邀報

3、告16次，入選科睿唯安全球高 被引科學(xué)家。該項目獲教育部自然科學(xué)獎一等獎。對照國家自然科學(xué)獎授獎條件，我部決定提名該項目為2019年度自 然科學(xué)獎二等獎。發(fā)展以電驅(qū)動為特征的新能源汽車是國際共識和我國的國家戰(zhàn)略， 動力電池及系統(tǒng)管理是技術(shù)瓶頸。針對模型建不精、狀態(tài)估不準、系統(tǒng) 管不好等動力電池管理研究領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，從單體到系 統(tǒng)逐級深入，創(chuàng)建了電動汽車動力電池及系統(tǒng)狀態(tài)量高精度估計的新理 論與新方法，實現(xiàn)了動力電池可用容量動態(tài)更新和狀態(tài)精度的自適應(yīng)標 定，為系統(tǒng)解決動力電池全壽命、全工況、全環(huán)境的高性能管理國際難 題提供了理論支撐。主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)點如下：提出并建立了動力電池機理-頻

4、域-電氣特性綜合解析模型，深度揭 示了動力電池輸出電壓特性與其內(nèi)部參數(shù)和狀態(tài)間的非線性、時變映射 規(guī)律，應(yīng)用信息熵理論提出了模型復(fù)雜度與預(yù)測精度和實時性之間的協(xié) 同計算準則。美國梅隆杰出教授Richard White課題組從微觀分析和試驗 兩方面驗證了該模型，瑞典Jinyue Yan院士評價該模型新穎(novel)、魯 棒性更強，第三方評測不同老化和溫度端電壓預(yù)測誤差0.32%O項目簡介通過電池狀態(tài)與輸出靜、動態(tài)電壓特性重構(gòu)，提出了兩類融合模 型和現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)估計方法，建立了動力電池靜態(tài)電勢在線辨識 N階時序遞推方程和多時間尺度、多算法融合的多狀態(tài)協(xié)同估計器。“很 好地兼顧了高精度和低計

5、算量”(IEEE/ASME會士，美國Michael Pecht 教授)，取得了顯著(remarkable)進展(中科院院士、歐陽明高教授)，IEEE Access副主編、馬來西亞M.A.Hannan教授綜述引用該項目9篇論文并 評價在精度和可靠性方面取得了令人滿意的(satisfactory)效果，發(fā)展和豐 富了動力電池狀態(tài)估計的理論和方法體系。建立了動力電池組不確定性量化模型，揭示了不一致性對其性能 衰退的耦合效應(yīng)和演化機理，首次提出了動力電池組狀態(tài)分段估計準則 以及表征單體的篩選和動態(tài)更新方法，解決了動力電池組和單體間的狀 態(tài)等效估計問題。J. Energy Storage主編、德國Dir

6、k Uwe Sauer教授和 IEEE會士、美國Chris Mi教授分別評價該方法具有“優(yōu)異(excellent 能”，IET會士、新加坡King Jet Tseng教授稱贊該工作為動力電池管理 領(lǐng)域創(chuàng)新性(innovatively和富有洞察力的(insightful)H作。該項目8篇代表作SCI他引1150次、總他引1931次，其中3篇入 選中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文(電動汽車領(lǐng)域僅有的3篇)、2篇獲 IEEE Trans Veh Technol等期刊年度最佳論文獎。項目發(fā)表論文入選ESI 高被引25篇，獲授權(quán)發(fā)明專利5件。三名完成人作國際學(xué)術(shù)會議特邀報 告16次，任IEEE電氣化交通大會

7、ITEC2014和國際應(yīng)用能源大會 ICAE2016等大會主席，入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。第三方檢測動 力電池組全工況、高低溫環(huán)境應(yīng)用SOC估計誤差1.67%，在北汽新能源、 鄭州宇通客車、聯(lián)合汽車電子等企業(yè)得到成功應(yīng)用，用戶評價“SOC估計 誤差小于3%，估計精度高且性能表現(xiàn)可靠、穩(wěn)定”。王哲榮院士任組長 的鑒定組認為該項目“動力電池狀態(tài)估計技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平”。發(fā)現(xiàn)點一針對動力電池“模型建不精”存在的科學(xué)問題，代表性論 文1、2、3總SCI他引526次，代表性評價包括：美國梅隆杰出教授獎 獲得者Richard White課題組從電池石墨電極微納米結(jié)構(gòu)微觀特性分析和 試驗兩方面證明了鋰

8、離子動力電池充放電過程具有明顯的雙極化特性， 探索性地提出一種等效電路模型，并指出“該模型和何洪文等提出的鋰 離子動力電池雙極化模型有很強的相似性(strong similarities) ”，驗證了該 項目提出的動力電池N階電氣解析模型；美國硅谷創(chuàng)新源泉“帕羅奧多 研究中心PARC”首席科學(xué)家Peter Kiesel引用指出“何洪文等對濃差極 化和電化學(xué)極化分別進行建模的動力電池雙極化模型取得了最精確 (most accurate)的動力電池SOC估計”；澳大利亞科學(xué)與工程院院士 Shixue Dou教授引用指出“提出的基于動力電池N階電氣解析模型時序 遞推方程以及帶遺忘因子的RLS模型參數(shù)

9、辨識方法，省略了繁瑣的矩陣 計算，明顯優(yōu)于卡爾曼濾波KF類算法，不僅能夠得到精確的開路電壓 而且能夠在電池全壽命周期自適應(yīng)獲得準確的模型參數(shù)”?？陀^評價發(fā)現(xiàn)點二針對動力電池“狀態(tài)估不準”存在的科學(xué)問題，代表性論文 1、4、5、6總SCI他引637次，代表性評價包括：IEEE Access副主編、 馬來西亞M.A.Hannan教授對代表性論文1、4連續(xù)引用并評價“提出了基 于改進Thevenin模型的動力電池荷電狀態(tài)AEKF估計算法，應(yīng)用于鋰離 子動力電池，獲得了準確的具有魯棒性的結(jié)果，相比EKF，SOC估計誤 差從3.16%降至1.06%；同時應(yīng)用AEKF算法進行在線模型參數(shù)辨識， 基于OCV

10、-SOC查表進行SOC估計，表現(xiàn)出滿意的應(yīng)用效果，估計誤差 在W2%”；德國North Rhine-Westphalian科學(xué)人文與藝術(shù)院院士、FEV總 裁Stefan Pischinger教授引用指出“熊等提出了一種多尺度動力電池模型 參數(shù)和狀態(tài)估計方法，宏觀時間尺度定義為60s用于估計動態(tài)容量，不 同老化狀態(tài)驗證結(jié)果表明獲得了2%的SOC和容量估計誤差”；美國總 統(tǒng)青年獎得主、IEEE Fellow、韓國Bo-Hyung Cho教授引用評價“熊等 提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的考慮不同衰退特性的動力電池SOC和SOP協(xié)同 估計算法以及一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的考慮動力電池不同壽命狀態(tài)的模型參數(shù)和 狀態(tài)多尺度濾波

11、估計算法，融合了動力電池電化學(xué)反應(yīng)過程的非線性特 性，獲得了更高精度的動力電池管理狀態(tài)參數(shù)”。發(fā)現(xiàn)點三針對動力電池組“系統(tǒng)管不好”存在的科學(xué)問題，代表性 論文7、8總SCI他引128次，代表性評價包括：IET會士、新加坡King Jet Tseng教授稱贊該工作為創(chuàng)新性(innovatively)地和富有洞察力的 (insightful )工作：為了最大化電池組的容量/能量利用率，熊等設(shè)計 了一種實用的動力電池組SOC估計算法，創(chuàng)新性地解決了不確定性建模 問題的不確定度量化方法。結(jié)果顯示出高準確性，并對BMS領(lǐng)域意義重 大”；IEEE會士、美國Chris Mi教授引用評價采用偏差修正方法來 確

12、保電池模型的預(yù)測性能，這種方法在不確定的操作情況和電池組中顯示出優(yōu)異的性能和高準確度”；中國科學(xué)院院士、歐陽明高教授引用指出 “應(yīng)用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了不一致性偏差的響應(yīng)面近似模型， 實現(xiàn)了電池組精確的端電壓預(yù)測，SOC估計誤差02%，該方法實現(xiàn)了復(fù) 雜度和準確度的完美平衡，非常適用于動力電池組建?！薄Ｈ珖倶双@北汽新能源公司項目，驗收評價磷酸鐵鋰動力電池 系統(tǒng)高精度狀態(tài)估計、精細化自適應(yīng)高可靠性動力電池管理系統(tǒng)等成果 在我公司開發(fā)的整車產(chǎn)品上得到應(yīng)用，部分技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際一 流水平”；全球最大的新能源客車企業(yè)鄭州宇通應(yīng)用評價“動力電池 SOC估計誤差小于3%，估計精度高且性能表現(xiàn)可

13、靠、穩(wěn)定，遠優(yōu)于在 用的其他管理系統(tǒng)”；聯(lián)合汽車電子應(yīng)用評價“動力電池SOC估計的精度 較高，處于行業(yè)領(lǐng)先水平”。代表作5、6、7分別入選2013、2014、2016年度中國百篇最具影響 國際學(xué)術(shù)論文；代表作 6獲IEEE VTS頒發(fā)的2018 Best Vehicular Electronics Paper Award。完成人任IEEE ITEC2014電氣化交通大會和 Applied Energy ICAE2016國際應(yīng)用能源大會等大會主席、入選科睿唯安 全球高被引學(xué)科學(xué)家，牽頭成立全球范圍內(nèi)動力電池管理領(lǐng)域唯一的一 個 Applied Energy UniLAB。中國汽車工程學(xué)會組織，王

14、哲榮院士任組長的成果鑒定組認為該項 目“動力電池狀態(tài)估計技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。獲2018年度教育部 自然科學(xué)獎一等獎。代表性論文專著目錄序 號論文專著名稱/刊 名/作者年卷頁 碼發(fā)表 時間通訊作者第一作者國內(nèi)作 者SCI 他引 次數(shù)他引總次數(shù)論文 署名 單位 是否 包含 國外 單位1Online model-based estimation of state-of-charge and open-circuit voltage of lithium-ion batteries in electric vehicles / Energy / He Hongwen, Zhang Xiaowei,

15、Xiong Rui, Xu2012 年39 卷 310-31 8頁2012 年3 月何洪 文何洪 文何洪文， 張曉偉， 熊瑞，許 永莉，郭 洪強141215否Yongli, Guo Hongqiang2Evaluation of Lithium-Ion Battery Equivalent Circuit Models for State of Charge Estimation by an Experimental Approach / Energies / He Hongwen, Xiong Rui, Fan Jinxin2011 年4卷582-598頁2011年4 月何洪 文何洪 文何洪

16、文，熊瑞，范金鑫241520否3Comparison study on the battery models used for the energy management of batteries in electric vehicles /Energy Conversion and Menagement / He Hongwen, Xiong Rui, Guo Hongqiang, Li Shuchun2012 年64 卷 113-12 1頁2012 年12 月何洪 文何洪 文何洪文，熊瑞，郭洪強，李樹春144235否4State-of-Charge Estimation of the Li

17、thium-Ion Battery Using an Adaptive Extended Kalman Filter Based on an Improved Thevenin Model / IEEE Transactions on Vehicular Technology / He Hongwen,Xiong Rui,Zhang Xiaowei,Sun Fengchun,Fan Jinxin2011 年60 卷1461-1 469頁2011年5 月何洪 文何洪 文何洪文， 熊瑞，張 曉偉，孫 逢春，范 金鑫234412否5Evaluation on State of Charge Esti

18、mation of Batteries With Adaptive Extended Kalman Filter by Experiment Approach / IEEE Transactions on Vehicular Technology / Xiong Rui, He Hongwen, Sun Fengchun, Zhao Kai2013 年62 卷 108-11 7頁2013 年1 月何洪 文熊瑞熊瑞，何 洪文，孫 逢春，趙 凱116171否6A data-driven multi-scale extended Kalman filtering based parameter an

19、d state estimation approach of lithium-ion polymer battery in electric vehicles /Applied Energy /Xiong Rui, Sun Fengchun, Chen Zheng, He Hongwen2014 年113 卷463-47 6頁2014 年1 月熊瑞熊瑞熊瑞，孫逢春，陳貞，何洪文146187是7A systematic state-of-charge estimation framework for multi-cell battery pack in electric vehicles usi

20、ng bias correction technique/ Applied Energy/ Sun Fengchun, Xiong Rui, He Hongwen (2014-12在線發(fā)2016 年162 卷1399-1 409頁2014 年12 月 (onl ine)熊瑞孫逢 春孫逢春，熊瑞，何洪文77109否表）8A novel dual-scale cell state-of-charge estimation approach for series-connected battery pack used in electric vehicles / Journal of Power S

21、ources / Sun Fengchun, Xiong Rui2015 年274 卷 582-59 4頁2015 年1 月熊瑞孫逢 春孫逢春， 熊瑞5182否合計11501931主要完成人 情況何洪文、排名第一、北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院副院長、教授、現(xiàn)工作 單位北京理工大學(xué)、成果完成單位北京理工大學(xué)。全面負責本項目理論研 究工作，提出并建立了動力電池N-RC電氣解析模型；提出了基于動力電 池N-RC電氣解析模型的OCV在線辨識和SOC估計方法；建立了將動力 電池SOC和動態(tài)極化電壓作為狀態(tài)量、將輸出電壓作為觀測量的SOC狀 態(tài)估計算法模型；提出了基于表征單體的動力電池組系統(tǒng)狀態(tài)估曲方 法。是代表性論文1、2、3、4的第一作者和通訊作者以及代表性論文5 的通訊作者。對重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)點1、2、3有重要貢獻。熊瑞、排名第二、副研究員、現(xiàn)工作單位北京理工大學(xué)、成果完成單位北 京理工大學(xué)。建立了動力電池機理-頻域-電氣特性綜合解析模型；提出了 基于存檔和實時運行數(shù)據(jù)驅(qū)動的五步驟動力電