首頁(yè) 資訊面向智能化管理的數(shù)字孿生電池構(gòu)建方法

面向智能化管理的數(shù)字孿生電池構(gòu)建方法

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年05月20日 19:17

發(fā)展新能源汽車是中國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必經(jīng)之路。在“十四五”規(guī)劃建議中，新能源汽車已被列入十大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。中國(guó)的新能源汽車產(chǎn)銷量已連續(xù)7年位居全球首位；國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》中指出，到2025年，中國(guó)新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右。動(dòng)力電池是新能源汽車能源動(dòng)力系統(tǒng)的核心，其性能影響了整車安全性、壽命、經(jīng)濟(jì)性。然而，動(dòng)力電池在全氣候環(huán)境下的使用性能、壽命和安全性隨時(shí)間動(dòng)態(tài)演變，產(chǎn)生了單體性能不一致誘發(fā)的系統(tǒng)容量快速衰減、短板電池或內(nèi)部缺陷誘發(fā)的電池?zé)崾Э氐葐?wèn)題[1-2]。

動(dòng)力電池管理技術(shù)通過(guò)對(duì)電池的使用性能進(jìn)行評(píng)估、合理的規(guī)劃電池充放電過(guò)程等，改善動(dòng)力電池壽命和安全性[3]。傳統(tǒng)動(dòng)力電池管理方法受限于車載硬件單元的有限計(jì)算/存儲(chǔ)能力，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的性能監(jiān)管、狀態(tài)估算等功能，準(zhǔn)確度差、可靠性低[4]。隨著數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)、云端管控等數(shù)字化管理技術(shù)的發(fā)展，為動(dòng)力電池管理技術(shù)發(fā)展提供了新契機(jī)和新思路[5-6]。數(shù)字孿生是一種全新的建模思想和方法，基于通信、仿真、數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建物理實(shí)體的逼真仿真模型及數(shù)字化實(shí)時(shí)狀態(tài)映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體全生命周期的管理決策和進(jìn)化學(xué)習(xí)[7-9]。數(shù)字孿生在衛(wèi)星、海洋、林業(yè)、交通等領(lǐng)域已開(kāi)展了大量探索式研究和示范應(yīng)用[10-12]；在中國(guó)“十四五”規(guī)劃中的新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)等也闡述了數(shù)字孿生在汽車、動(dòng)力電池行業(yè)的應(yīng)用。發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)、構(gòu)建數(shù)字孿生電池為提升電池管理能力帶來(lái)了新的解決方案，已逐步成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)之一，寧德時(shí)代、比亞迪、國(guó)軒高科等電池企業(yè)均已開(kāi)展前瞻性技術(shù)研究[13-14]。但目前對(duì)于動(dòng)力電池的數(shù)字孿生仍缺乏系統(tǒng)的建模理論、評(píng)價(jià)方法、應(yīng)用范圍等。本文圍繞動(dòng)力電池精細(xì)化管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)數(shù)字孿生動(dòng)力電池構(gòu)建需求，系統(tǒng)性闡述動(dòng)力電池?cái)?shù)字孿生模型的構(gòu)建理論，探索了其在電池設(shè)計(jì)、全生命周期管理、梯次利用等場(chǎng)景下的應(yīng)用可能性。希望通過(guò)本文對(duì)電池?cái)?shù)字孿生模型的詳細(xì)介紹和解釋，為電池行業(yè)發(fā)展提供思路和理論支撐。

1. 動(dòng)力電池?cái)?shù)字孿生模型概念

模型是對(duì)物理實(shí)體的數(shù)學(xué)描述，可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的屬性、特征、功能的復(fù)現(xiàn)和重構(gòu)。模型始終是動(dòng)力電池管理研究的重點(diǎn)，現(xiàn)有動(dòng)力電池模型主要分為等效電路模型、電化學(xué)模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型[15]。3類模型均可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池靜動(dòng)態(tài)特性的模擬或時(shí)空尺度上的性能仿真，但這3類模型均缺乏對(duì)實(shí)體電池的差異化適配和全生命周期演化，如電化學(xué)模型對(duì)初值和參數(shù)具有極大的依賴性；等效電路模型不僅依賴于大量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，也無(wú)法滿足全生命周期的參數(shù)自適應(yīng)，精度較差；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型對(duì)訓(xùn)練集具有極大的依賴性，對(duì)于超出訓(xùn)練集的場(chǎng)景泛化性能有限[16-17]。

數(shù)字孿生模型吸取上述建模的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，通過(guò)刻畫(huà)電池內(nèi)部的反應(yīng)過(guò)程或映射關(guān)系，對(duì)物理實(shí)體的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境、工況等進(jìn)行抽象或提取，使模型在符合實(shí)際場(chǎng)景的環(huán)境下進(jìn)行虛擬仿真，使模型無(wú)限逼近物理實(shí)體并與實(shí)體“同時(shí)空”演化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體電池的數(shù)字化仿真、監(jiān)控、預(yù)測(cè)、優(yōu)化等。如圖 1所示，數(shù)字孿生模型具有以下3大特征：

圖 1 數(shù)字孿生電池三大特征

Figure 1. Three main features of digital twin cell

1) 全生命周期建模。數(shù)字孿生電池的核心思想是伴隨著物理實(shí)體共同演化，從而在數(shù)字空間內(nèi)構(gòu)建出與物理實(shí)體相映射的電池模型。該模型需要反映出電池內(nèi)部的各類微觀參數(shù)和宏觀性能在全生命周期內(nèi)的演化趨勢(shì)、規(guī)律等信息，并且具備對(duì)未來(lái)演化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和分析。例如以電化學(xué)模型為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生電池，應(yīng)時(shí)刻保持與物理實(shí)體相一致的循環(huán)次數(shù)、狀態(tài)、環(huán)境等，從而預(yù)測(cè)電池在該狀態(tài)下的剩余壽命、安全狀態(tài)，如在現(xiàn)有建模思路與框架下，假定負(fù)極電位達(dá)到0 V后發(fā)生析鋰反應(yīng)，從而在充電結(jié)束時(shí)可分析該次充電條件下的電池內(nèi)部析鋰量，并可用于反向推斷充電策略和充電邊界等。全生命周期建模思想是保證電池全壽命管理的基礎(chǔ)。

2) 對(duì)物理實(shí)體的逼近。數(shù)字孿生電池具備在全生命周期向物理實(shí)體逼近的功能，這一功能體現(xiàn)在實(shí)體電池在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)上傳并反饋電池的各類信息，而后在云計(jì)算平臺(tái)中對(duì)信息進(jìn)行整合、歸類、深入挖掘，解構(gòu)電池信息與模型之間的映射關(guān)系，從而通過(guò)提取和辨識(shí)實(shí)體電池的信息來(lái)更新數(shù)字孿生電池。這使得數(shù)字孿生模型并不完全依賴初始條件，可以先對(duì)電池應(yīng)用并在云計(jì)算平臺(tái)內(nèi)部署數(shù)字孿生模型，而后隨著電池的使用過(guò)程再對(duì)數(shù)字孿生電池進(jìn)行優(yōu)化和更新，有益于解決目前電池研發(fā)速度快和性能測(cè)試周期長(zhǎng)之間的矛盾。

3) 全場(chǎng)景模擬和仿真。數(shù)字孿生電池在數(shù)字空間內(nèi)運(yùn)行，因此其可以模擬物理實(shí)體的各類場(chǎng)景、工況等，并對(duì)物理實(shí)體的性能進(jìn)行仿真和分析。例如，通過(guò)分析實(shí)體電池的使用工況和環(huán)境可以分析其是否存在過(guò)充、過(guò)放等可能，隨后可以在云計(jì)算平臺(tái)內(nèi)通過(guò)數(shù)字孿生電池進(jìn)行虛擬仿真，分析極端工況等對(duì)電池內(nèi)部造成的損傷及危害嚴(yán)重性，分析其安全邊界演化等。此外，數(shù)字孿生電池也可以模擬實(shí)體電池在高原、高寒、高溫等環(huán)境下的仿真性能，對(duì)新能源汽車長(zhǎng)途、跨省運(yùn)行時(shí)管理策略的適配和更新提供依據(jù)。

2. 數(shù)字孿生電池的發(fā)展和需求

傳統(tǒng)車載電池管理系統(tǒng)以車載嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)為核心，通過(guò)基礎(chǔ)的邏輯功能和簡(jiǎn)單算法，能夠?qū)崿F(xiàn)較為全面的動(dòng)力電池管理要求，涵蓋數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、均衡、通信、故障診斷、充放電控制等。車規(guī)級(jí)的嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)空間有限(小于1 GB，通常為MB量級(jí))、計(jì)算速度慢(主頻約為500 MB/s)，全生命周期數(shù)據(jù)無(wú)法存儲(chǔ)，高精度算法、精度復(fù)雜模型等無(wú)法部署，導(dǎo)致現(xiàn)有的車端電池管理系統(tǒng)內(nèi)部模型和算法依賴于出廠標(biāo)定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全生命周期自適應(yīng)演化。同時(shí)，基于電池機(jī)理或全生命周期數(shù)據(jù)的動(dòng)力電池壽命預(yù)測(cè)算法與熱失控預(yù)警算法也依賴于高精度的電池模型，因此車載電池管理系統(tǒng)無(wú)法支撐壽命、安全管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。由于存在算力和存儲(chǔ)的限制，車載電池管理系統(tǒng)已無(wú)法支持更精細(xì)和全生命周期的電池管理；隨著新能源汽車的大量普及，批量化的產(chǎn)品仍存在小概率偶發(fā)的失效問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明新能源汽車的起火概率達(dá)到了萬(wàn)分之二，如何預(yù)測(cè)預(yù)警熱失控等小概率事件是電池管理亟待解決的難題[18]；此外，動(dòng)力電池制造缺陷等導(dǎo)致電池加速老化、壽命異常衰退甚至存在容量跳水等現(xiàn)象，也是目前車載電池管理系統(tǒng)難以解決的問(wèn)題之一[19-20]。

數(shù)字孿生為上述問(wèn)題提供了新的解決方案，結(jié)合車云融合的云端動(dòng)力電池管控平臺(tái)，在平臺(tái)中部署數(shù)字孿生模型及自適應(yīng)算法，通過(guò)車端上傳的全生命周期數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型的全生命周期演化與逼近物理實(shí)體，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)模型實(shí)時(shí)運(yùn)行、單車單控策略設(shè)計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)契機(jī)。數(shù)字孿生建模的核心是在全生命周期向物理實(shí)體逼近并隨著物理實(shí)體共同演化。由于動(dòng)力電池本身電化學(xué)反應(yīng)原理的復(fù)雜性、車載工況的時(shí)變遲滯性等，數(shù)字孿生模型的構(gòu)建難度較高，主要存在以下問(wèn)題和需求：

1) 動(dòng)力電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，如圖 2所示，除充放電時(shí)在正負(fù)極發(fā)生的粒子遷移過(guò)程外，還存在多種副反應(yīng)，包括負(fù)極表面鋰的析出、固體電解質(zhì)膜的生長(zhǎng)/破裂、電解液分解產(chǎn)氣、隔膜老化收縮等，導(dǎo)致動(dòng)力電池性能存在微觀模糊性、演化復(fù)雜性、實(shí)際多變性。準(zhǔn)確描述動(dòng)力電池內(nèi)部各類老化反應(yīng)、建立電池副反應(yīng)的量化方程使精細(xì)化電池模型構(gòu)建存在難題，需要進(jìn)一步探索動(dòng)力電池等效機(jī)理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，揭示數(shù)字孿生構(gòu)建的基礎(chǔ)理論。

圖 2 動(dòng)力電池內(nèi)部復(fù)雜副反應(yīng)過(guò)程

Figure 2. Complex side reaction processes within power cell

2) 動(dòng)力電池的微觀參數(shù)和宏觀性能直接映射關(guān)系模糊，如固態(tài)電解質(zhì)隔膜厚度、析鋰層厚度等影響電池壽命和內(nèi)阻等，其量化映射關(guān)系不明晰；電池的微觀參數(shù)在全生命周期的演化過(guò)程中存在隨機(jī)性、與使用工況成相關(guān)性，因此揭示其在全生命周期的演化過(guò)程、構(gòu)建“宏觀-微觀”耦合參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化算法存在難題，需要解決全生命周期下模型自學(xué)習(xí)優(yōu)化機(jī)制等，揭示數(shù)字孿生構(gòu)建的全生命周期演化理論。

3) 數(shù)字孿生模型可以解決電池全生命周期的性能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)難題，但數(shù)字孿生模型難以直接應(yīng)用到電池管理過(guò)程中，仍需要結(jié)合邏輯、控制算法等，對(duì)電池在特定工況、特定場(chǎng)景下的性能及演化趨勢(shì)進(jìn)行分析。需要與電池的控制策略相結(jié)合，構(gòu)建動(dòng)力電池全生命周期動(dòng)態(tài)安全/健康邊界、性能評(píng)估、長(zhǎng)時(shí)安全預(yù)警等算法，揭示數(shù)字孿生的場(chǎng)景化應(yīng)用理論。

3. 數(shù)字孿生電池構(gòu)建理論

通常情況下，數(shù)字孿生電池與物理實(shí)體之間是相互映射的，因此數(shù)字孿生電池主要包括物理實(shí)體、數(shù)字模型及其之間的數(shù)據(jù)和交互關(guān)系等。物理實(shí)體層在電池裝機(jī)后既已確定，是數(shù)字孿生研究的主要對(duì)象，而數(shù)據(jù)和交互關(guān)系則依托于云計(jì)算、云服務(wù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)[21]。本文重點(diǎn)圍繞數(shù)字孿生電池的模型構(gòu)建方法，探究其構(gòu)建準(zhǔn)則和關(guān)鍵組件。

3.1 數(shù)字孿生模型構(gòu)建準(zhǔn)則

數(shù)字孿生模型通過(guò)多維度、多尺度、多物理場(chǎng)建模方法，全方位動(dòng)態(tài)模擬電池在實(shí)際環(huán)境、工況條件下的性能演化過(guò)程。現(xiàn)有動(dòng)力電池種類較多(磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池、固態(tài)電池等)、尺寸差異大(方形電池、軟包電池、圓柱形電池等)、應(yīng)用場(chǎng)景多(商用車、乘用車、重型車輛、船用電池等)，數(shù)字孿生模型應(yīng)具備較高的普適性和面向用戶的特異性，這對(duì)數(shù)字孿生模型的構(gòu)建提出了較高要求，需要一系列建模準(zhǔn)則對(duì)模型進(jìn)行規(guī)范。如圖 3所示，基于用戶使用場(chǎng)景、便捷性、通用性等考慮，數(shù)字孿生模型應(yīng)滿足以下6項(xiàng)構(gòu)建基本準(zhǔn)則。

圖 3 數(shù)字孿生模型構(gòu)建6項(xiàng)基本準(zhǔn)則

Figure 3. Six basic guidelines for digital twin model construction

1) 精準(zhǔn)與可信。對(duì)物理實(shí)體的精準(zhǔn)化描述是數(shù)字孿生模型應(yīng)用的基礎(chǔ)。精準(zhǔn)化有多層次的含義，首先，數(shù)字孿生模型不僅應(yīng)準(zhǔn)確描述電池的靜動(dòng)態(tài)特性，還應(yīng)準(zhǔn)確描述出其隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的參數(shù)異變、演化等性能，在時(shí)間尺度上具有精準(zhǔn)性；其次，數(shù)字孿生模型效仿電池的成組方式，采用材料-單體-模組-系統(tǒng)-整車層級(jí)的建模方法，在每一尺度上的建模方法、特征等可能存在差異，但均應(yīng)滿足高精度、高可靠的要求，從根本上減少模型誤差的傳遞和積累，在空間尺度上也具有精準(zhǔn)性。此外，數(shù)字孿生模型在云平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)還應(yīng)具有高可信的計(jì)算環(huán)境，除了要保障計(jì)算本身的準(zhǔn)確性，還應(yīng)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、資源等進(jìn)行保護(hù)。

2) 接口標(biāo)準(zhǔn)化。由于電池種類的復(fù)雜性，數(shù)字孿生模型通常需要快速、準(zhǔn)確的適配各類電池，因此需要對(duì)電池的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而提高適配速度和準(zhǔn)確度，為不同領(lǐng)域、不同行業(yè)的使用人員提供便捷的使用方式。需要標(biāo)準(zhǔn)化的接口主要包括：模型定義、參數(shù)輸入、特征曲線輸入、數(shù)據(jù)接口、通訊協(xié)議、求解方式、輸出內(nèi)容、曲線和其他需要封裝的內(nèi)容等。此外，除接口標(biāo)準(zhǔn)化之外，對(duì)于接口的形式、格式、內(nèi)容等也需要相應(yīng)的定義，使其容易獲取、解析、讀取，并在不同電池間相互兼容，以滿足通用性和差異性的要求。

3) 易部署性。數(shù)字孿生模型需要部署在云計(jì)算平臺(tái)中才可以運(yùn)行，因此數(shù)字孿生模型應(yīng)該對(duì)不同種類的云平臺(tái)具備部署能力，這主要涵蓋2方面的內(nèi)容，強(qiáng)兼容性和輕量化。強(qiáng)兼容性是指數(shù)字孿生模型應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建模軟件或語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，同時(shí)這一軟件或語(yǔ)言應(yīng)能在大部分云計(jì)算平臺(tái)中部署，例如常用的多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol、科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB或基礎(chǔ)語(yǔ)言Python、C++等。輕量化是指數(shù)字孿生模型在滿足主要功能的基礎(chǔ)上，在幾何描述、求解方法、計(jì)算復(fù)雜度、邏輯處理等方面歸約或者簡(jiǎn)化，從而減少模型的復(fù)雜度，提高在云計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)行速度、減少計(jì)算和存儲(chǔ)開(kāi)銷，提高云計(jì)算平臺(tái)的用戶接入數(shù)量。

4) 強(qiáng)學(xué)習(xí)性。在全生命周期內(nèi)向物理實(shí)體無(wú)限逼近和學(xué)習(xí)是數(shù)字孿生模型的本質(zhì)特征之一，其功能實(shí)現(xiàn)要求數(shù)字孿生模型具備可學(xué)習(xí)性，這是指模型應(yīng)能夠隨物理實(shí)體或者系統(tǒng)自發(fā)的進(jìn)行更新、演化，并在全生命周期內(nèi)進(jìn)行主動(dòng)的持續(xù)的性能優(yōu)化?？蓪W(xué)習(xí)性的實(shí)現(xiàn)要依賴于模型內(nèi)部的自學(xué)習(xí)、自修正算法，通過(guò)獲取的原始測(cè)試數(shù)據(jù)、實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、模型仿真數(shù)據(jù)等，通過(guò)智能優(yōu)化算法或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法等使模型的參數(shù)動(dòng)態(tài)更新，以滿足模型的準(zhǔn)確性、智能性。

5) 開(kāi)放性與可擴(kuò)展性。隨著電池管理功能性不斷拓展、管理復(fù)雜度不斷提升，數(shù)字孿生模型的功能也應(yīng)該隨之更新，這要求數(shù)字孿生模型具有開(kāi)放性和擴(kuò)展性，在部署后仍具備擴(kuò)展的能力。數(shù)字孿生模型的開(kāi)放性可以表現(xiàn)為模型的增廣或融合，如對(duì)動(dòng)力電池機(jī)理的深入研究可能探尋到更多影響電池壽命、安全等性能的因素，在對(duì)新發(fā)現(xiàn)的因素進(jìn)行建模描述后，應(yīng)可以有機(jī)地與孿生模型進(jìn)行整合，通過(guò)模型融合、合并、關(guān)聯(lián)、協(xié)同等方式，使模型重新成為一個(gè)整體。可擴(kuò)展性則要求模型應(yīng)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景、工況條件下可以靈活的更改自身結(jié)構(gòu)、參數(shù)配置等條件，從而快速滿足用戶需求和場(chǎng)景匹配等。

6) 易用性。數(shù)字孿生模型的使用者可能來(lái)自不同領(lǐng)域、不同專業(yè)，因此其對(duì)動(dòng)力電池領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)理解不深入、專業(yè)性不強(qiáng)，所以數(shù)字孿生模型的使用應(yīng)具備易用性，包括可視化的前端界面和可交互的用戶界面等。前端界面應(yīng)具有直觀可視的形式，包括電池所處的環(huán)境信息、歷史運(yùn)行工況、電池狀態(tài)、歷史故障信息等，由于各類信息的重復(fù)性高、交叉性強(qiáng)，因此前端界面應(yīng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)能力，并從多要素、多維度、多尺度、多物理場(chǎng)等形式展現(xiàn)電池信息。用戶界面則是指數(shù)字孿生模型為用戶提供的一個(gè)動(dòng)態(tài)可配置的交互界面，在該界面中，用戶應(yīng)可以用圖形化或流程化描述對(duì)模型的內(nèi)置邏輯、組件等進(jìn)行配置，并且可以修改、兼容不同的接口信息等，從而使用戶在數(shù)字孿生模型內(nèi)部龐大的模型系統(tǒng)和參數(shù)空間內(nèi)了解應(yīng)配置、修改的信息。

3.2 數(shù)字孿生模型關(guān)鍵組件

在分析了數(shù)字孿生模型構(gòu)建的6項(xiàng)準(zhǔn)則后，還應(yīng)具體的分析數(shù)字孿生電池所應(yīng)涵蓋的基本內(nèi)容，形成其構(gòu)建理論。數(shù)字孿生模型仍屬于模型驅(qū)動(dòng)方法，因此經(jīng)典的建模理論仍適用于數(shù)字孿生模型的構(gòu)建；此外，由于數(shù)字孿生模型具有全生命周期性、自學(xué)習(xí)性和場(chǎng)景應(yīng)用性，因此，還需要采用特殊的多維度、多尺度、多物理場(chǎng)耦合建模方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行全方位的抽象和建模[22]。因此，對(duì)于數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，應(yīng)包含以下5個(gè)步驟：基本模型構(gòu)建，模型融合，模型矯正，模型驗(yàn)證，模型管理，各步驟關(guān)系如圖 4所示?；灸Ｐ蛯閿?shù)字孿生電池提供基礎(chǔ)，通過(guò)各類建模方式，實(shí)現(xiàn)從材料、單體層級(jí)到模組、系統(tǒng)層級(jí)的模型構(gòu)建和組裝，隨后采用模型融合方法，將不同層級(jí)的模型通過(guò)數(shù)據(jù)交互、參數(shù)傳遞、仿真對(duì)接等方式進(jìn)行融合，保障系統(tǒng)是有機(jī)的整體，各子模型之間參數(shù)可以互聯(lián)互通并且一致；模型矯正是在基本模型構(gòu)建完成后，采用智能學(xué)習(xí)的算法對(duì)模型的參數(shù)、結(jié)果等進(jìn)行優(yōu)化和更新，這也將伴隨著實(shí)體對(duì)象的工作而一并演化；模型的驗(yàn)證和管理是在數(shù)字孿生模型基礎(chǔ)之前對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化，由于云計(jì)算平臺(tái)中可能會(huì)運(yùn)行多個(gè)模型，模型之間的交叉、沖突等需要合理的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)和管理。上述5個(gè)步驟是數(shù)字孿生模型構(gòu)建的基本方法，除此之外還可額外的擴(kuò)展出模型擴(kuò)展、模型迭代等其他步驟。

圖 4 數(shù)字孿生模型五大步驟

Figure 4. Five steps of digital twin model

1) 基本模型構(gòu)建?；灸Ｐ兔枋隽藙?dòng)力電池的工作原理和使用特性，是數(shù)字孿生電池的基石。根據(jù)6項(xiàng)基本規(guī)則，對(duì)基本模型的構(gòu)建應(yīng)采用多層級(jí)、多尺度、多物理場(chǎng)耦合的方式進(jìn)行建模。在層級(jí)上，應(yīng)滿足從材料到單體、模組、系統(tǒng)等多個(gè)層級(jí)的建模方法，對(duì)于材料層級(jí)，可選用分子動(dòng)力學(xué)等建模方法描述原子、分子尺度的性能差異對(duì)電池最終性能的影響，而對(duì)于單體、模組、系統(tǒng)等層級(jí)而言，可以依據(jù)材料尺度的仿真結(jié)果結(jié)合實(shí)際的電池成組方式、電氣連接方式、熱管理系統(tǒng)等進(jìn)行全系統(tǒng)的數(shù)字化建模；在尺度上，應(yīng)采用微觀-宏觀相耦合的建模方法，通過(guò)分析微觀層級(jí)的電池特性演化，分析宏觀性能的衰退、劣化規(guī)律等；在多物理場(chǎng)耦合方面，基本模型應(yīng)涵蓋電化學(xué)、熱、力、流體、應(yīng)力等各類物理場(chǎng)，描述電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)基本原理、老化原理、傳質(zhì)傳熱機(jī)理、機(jī)械應(yīng)力、膨脹力、熱管理冷媒流動(dòng)機(jī)理等各類基本原理。在理想情況下，數(shù)字孿生電池應(yīng)涵蓋上述的多層級(jí)、多尺度、多物理場(chǎng)耦合，但是從實(shí)際建模和應(yīng)用角度出發(fā)，可以適度的根據(jù)需求進(jìn)行降維或簡(jiǎn)化。

2) 模型融合。動(dòng)力電池機(jī)理復(fù)雜、層級(jí)眾多，采用基本原理構(gòu)建的電池基本模型需要進(jìn)一步的交叉和融合，使數(shù)字孿生電池從簡(jiǎn)單模型堆砌變?yōu)橄到y(tǒng)級(jí)的復(fù)雜模型。模型的融合需要涵蓋以下方面。首先，模型的參數(shù)應(yīng)該互聯(lián)互通，如使用分子動(dòng)力學(xué)仿真的電池材料參數(shù)應(yīng)傳遞至單體層級(jí)，基于單體模型仿真的電、熱等參數(shù)傳遞至模組或系統(tǒng)層級(jí)，而系統(tǒng)層級(jí)的工況、環(huán)境等也將反應(yīng)單體電池工況的細(xì)微差別。對(duì)于參數(shù)的傳遞應(yīng)包括尺寸、場(chǎng)參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、物性參數(shù)等。其次，模型融合還應(yīng)包括物理場(chǎng)的融合和交叉，這體現(xiàn)在不同物理場(chǎng)之間的參數(shù)傳遞和相互作用影響，例如電池的生熱需依賴于電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)和副反應(yīng)過(guò)程，而電池的散熱過(guò)程還依賴于熱管理系統(tǒng)的熱對(duì)流、熱交換等過(guò)程。

3) 模型矯正。模型矯正是數(shù)字孿生電池的最核心機(jī)制之一，通過(guò)模型矯正可以實(shí)現(xiàn)電池模型的自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)模型全生命周期的更新和迭代。模型矯正部分應(yīng)該包含3個(gè)方面。①應(yīng)詳細(xì)分析模型內(nèi)的參數(shù)敏感度，探究微觀/宏觀參數(shù)與電池性能之間的相關(guān)性，如電極厚度、固/液相比例等對(duì)電極膨脹等影響較大，而對(duì)析鋰層等影響較弱。通過(guò)敏感度分析可以對(duì)參數(shù)的重要程度進(jìn)行劃分，提取關(guān)鍵參數(shù)和所需要的參數(shù)精度。②應(yīng)構(gòu)建參數(shù)與性能之間的相互表征關(guān)系，目前車端上傳的云端數(shù)據(jù)比較有限，一般包括電壓、電流、溫度等，因此需要建立參數(shù)與可獲取的電池信息的方程或關(guān)系，從而為參數(shù)的解析和辨識(shí)提供基礎(chǔ)。③應(yīng)建立基于智能學(xué)習(xí)的參數(shù)解析和算法，通過(guò)集群式數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和并行加速計(jì)算等方法，從電池組的群體特征出發(fā)研究參數(shù)的提取和辨識(shí)，并反饋至個(gè)體中優(yōu)化電池的參數(shù)，提高電池參數(shù)辨識(shí)的特異性和普適性。

4) 模型驗(yàn)證。模型驗(yàn)證是保障數(shù)字孿生模型高效、可靠的有力證明。模型的驗(yàn)證主要包括3方面：軟件驗(yàn)證、實(shí)體驗(yàn)證和線下測(cè)試驗(yàn)證。軟件驗(yàn)證是指通過(guò)電池軟件仿真形成閉環(huán)，通過(guò)多個(gè)模型之間的相互校正或基于歷史數(shù)據(jù)的軟件模型校正等，采用大量的仿真工況、場(chǎng)景等探究模型的精度和輸出，分析數(shù)字孿生電池在各類場(chǎng)景、工況下的性能。實(shí)體驗(yàn)證通過(guò)模型仿真的結(jié)果與實(shí)際獲取的信息進(jìn)行對(duì)比，不僅可以驗(yàn)證數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確度，更可以為模型的矯正提供依據(jù)，以模型誤差為反饋矯正電池的參數(shù)、公式等。線下測(cè)試驗(yàn)證則是通過(guò)在電池裝機(jī)后同步開(kāi)展的一些電池工況、循環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)等，為數(shù)字模型提供精確、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，可以有效提高模型的準(zhǔn)確度，并為模型的自學(xué)習(xí)、參數(shù)自校正提供有效參考。

5) 模型管理。模型管理是在模型的構(gòu)建、融合和自學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，在云平臺(tái)上進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行分類存儲(chǔ)和智能化管理、調(diào)度。由于數(shù)字孿生模型功能復(fù)雜、架構(gòu)龐大，因此對(duì)于每一項(xiàng)功能單獨(dú)調(diào)度模型極易造成計(jì)算和存儲(chǔ)資源的浪費(fèi)，因此需要采用智能化的方法對(duì)模型進(jìn)行管理、調(diào)度和維護(hù)。對(duì)于單模型運(yùn)行的云計(jì)算平臺(tái)而言，在模型調(diào)用時(shí)可以將計(jì)算信息、結(jié)果等分類存儲(chǔ)，在其他服務(wù)和功能調(diào)用時(shí)首先查找已有數(shù)據(jù)結(jié)果，從而減少模型調(diào)用次數(shù)和計(jì)算開(kāi)銷，提高功能的調(diào)度速率。而對(duì)于多模型并行計(jì)算的云計(jì)算平臺(tái)而言，則可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制對(duì)模型進(jìn)行歸類和優(yōu)選，對(duì)于用戶的調(diào)度首先提供歷史最優(yōu)的模型，而后在后臺(tái)空閑時(shí)采用指定案例、服務(wù)需求等對(duì)多模型進(jìn)行調(diào)用、計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果確定當(dāng)前最優(yōu)解的模型，在下一次調(diào)度時(shí)采用該模型為用戶提供服務(wù)。這將有助于模型在各類場(chǎng)景、工況下的應(yīng)用并指導(dǎo)后續(xù)模型的構(gòu)建。

基本模型構(gòu)建，模型融合，模型矯正，模型驗(yàn)證，模型管理是數(shù)字孿生模型構(gòu)建的關(guān)鍵步驟，但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，受限于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度、需求、目標(biāo)、場(chǎng)景等，可以依據(jù)企業(yè)自身的特點(diǎn)進(jìn)行組合和選擇，特別是基本模型構(gòu)建方法眾多，可針對(duì)所應(yīng)用的場(chǎng)景進(jìn)行適應(yīng)的模型選擇，優(yōu)選模型復(fù)雜度、存儲(chǔ)量、計(jì)算開(kāi)銷較為均衡的模型組件。

4. 動(dòng)力電池?cái)?shù)字孿生實(shí)踐

針對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池精細(xì)化設(shè)計(jì)、全生命周期精準(zhǔn)管理的實(shí)際應(yīng)用需求，本文基于數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論，在模型構(gòu)建、性能仿真和預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了探索和研究，如圖 5所示。

圖 5 以電化學(xué)模型為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生電池

Figure 5. Digital twin cell based on electrochemical model

在數(shù)字孿生模型構(gòu)建方面，以車用電池系統(tǒng)為研究對(duì)象，按材料-單體-模組-系統(tǒng)4個(gè)層級(jí)建立與物理實(shí)體相映射的電池模型，在材料層級(jí)包括正負(fù)極材料及缺陷構(gòu)造、電解液濃度及離子濃度分布、隔膜孔隙率縮小或破壞、SEI膜增厚或分解等子模型；在單體層級(jí)包括電池正負(fù)極離子擴(kuò)散、電勢(shì)產(chǎn)生、電化學(xué)-熱產(chǎn)生等子模型；在模組層級(jí)，耦合電池產(chǎn)熱傳熱機(jī)理，包括散熱系統(tǒng)及其他電附屬元件、均衡管理系統(tǒng)等；在系統(tǒng)層級(jí)，包括電池系統(tǒng)內(nèi)的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線束布置、焊接情況、銅排布置等。通過(guò)將材料-單體-模組-系統(tǒng)的不同類型、不同尺度、不同物理場(chǎng)的模型進(jìn)行耦合和加權(quán)、參數(shù)傳遞、物理場(chǎng)融合，實(shí)現(xiàn)了從材料到系統(tǒng)層級(jí)的模型深度融合。

在電池性能和預(yù)測(cè)方面，數(shù)字孿生模型通過(guò)實(shí)體電池上傳的電壓、電流、溫度、故障數(shù)、車速、位置等信息，在對(duì)實(shí)體電池組狀態(tài)、參數(shù)等進(jìn)行迭代優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)電池膨脹/銅排老化等幾何構(gòu)型更新、電池內(nèi)部微觀參數(shù)的更新(包括電池正負(fù)極材料的膨脹、電解液分解、氣體析出、隔膜損傷或收縮、孔隙率下降、正負(fù)極材料固相損失、SEI膜增厚或分解、電極的擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力、負(fù)極表面鋰的析出和電解液內(nèi)活性鋰離子的損失、集流體腐蝕等)、宏觀性能的衰退(包括內(nèi)阻增長(zhǎng)、可用容量損失、電池充電邊界下降、可用容量區(qū)間縮短、極化電壓加劇等)、全生命周期性能模擬(包括剩余壽命、最大可用容量、電池組安全性、可靠性衰退圖譜等)。

此外，在基于數(shù)字孿生模型的管理方面，通過(guò)數(shù)字孿生模型在全生命周期的性能演化和模擬仿真，可以分析得到與電池使用工況呈強(qiáng)相關(guān)的電池內(nèi)部參數(shù)的劣化特性，通過(guò)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，采用模型+數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)的方法建立電池管理算法，從而實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的高安全動(dòng)態(tài)充電邊界管控、基于負(fù)極無(wú)析鋰控制的充電策略設(shè)計(jì)、基于電池極端工況下失效邊界預(yù)判的長(zhǎng)時(shí)熱失控預(yù)警等功能，為傳統(tǒng)動(dòng)力電池管理提供擴(kuò)展性功能，有助于提高電池全生命周期全氣候全工況的健康和安全管理能力。

5. 數(shù)字孿生電池技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生電池為新能源汽車能源系統(tǒng)智能化管控提供了新思路和方向，但目前階段，構(gòu)建完整的數(shù)字孿生電池還存在技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，主要包括電池精細(xì)化建模、全生命周期跨平臺(tái)跨尺度建模等方面。

1) 電池建模還需更精細(xì)化、更系統(tǒng)化。目前動(dòng)力電池建模主要包括分子動(dòng)力學(xué)模型、等效電路模型、電化學(xué)機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型等。分子動(dòng)力學(xué)模型依賴于對(duì)電池微觀性機(jī)理的研究，從材料角度預(yù)測(cè)電池的擴(kuò)散系數(shù)、離子電導(dǎo)率等參數(shù)，雖然具備不依賴于電池實(shí)體進(jìn)行建模，但計(jì)算量大、模擬能力有限。等效電路模型是目前車端電池管理較為常用的模型之一，僅通過(guò)電阻、電容等元件模擬電池靜、動(dòng)態(tài)充放電特性，無(wú)法反應(yīng)電池微觀結(jié)構(gòu)的變化和全生命周期的衰退。電化學(xué)機(jī)理模型是從電池化學(xué)反應(yīng)原理出發(fā)等效的模型，主要包括單粒子模型、偽二維模型、異構(gòu)模型等多種形式，通過(guò)模擬鋰離子在正負(fù)極之間的遷移及副反應(yīng)的發(fā)生，可以預(yù)測(cè)全生命周期的性能衰退規(guī)律，但受限于模型的假設(shè)條件、有限的測(cè)量參數(shù)，電化學(xué)模型的實(shí)用性還不強(qiáng)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型是近年來(lái)電池建模的熱點(diǎn)方向之一，通過(guò)不可解釋的復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬電池輸入與輸出間的映射關(guān)系，建模方式簡(jiǎn)單，但依賴于特征選取、訓(xùn)練集等。綜上，目前動(dòng)力電池建模理論還不完善，缺乏具有普適性的、能夠切實(shí)反應(yīng)真實(shí)條件下微觀變化及宏觀特效演化的模型，未來(lái)可基于電化學(xué)模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)一步研究探索，通過(guò)融合驅(qū)動(dòng)建模方法等提升電池建模能力與理論水平。

2) 電池跨平臺(tái)、跨領(lǐng)域建模難度大?，F(xiàn)有動(dòng)力電池建模方法依賴于有限元建模軟件或科學(xué)計(jì)算軟件平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)制造到車載動(dòng)力到梯級(jí)利用到拆解回收的全鏈條建模與仿真，需要各平臺(tái)間具備互融互通性并可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨領(lǐng)域的建模仿真。目前，動(dòng)力電池領(lǐng)域的常用建模軟件如COMSOL Multiphysics、ANSYS FLUENT、MATLAB等，均已完成或已具備跨平臺(tái)仿真的功能，但受限于模型接口復(fù)雜、各平臺(tái)建模語(yǔ)言存在差異，跨平臺(tái)的建模難度仍較大。此外，由于動(dòng)力電池系統(tǒng)不僅包含電芯建模，也包括連接件、匯流排、熱管理系統(tǒng)、均衡系統(tǒng)、熱防護(hù)系統(tǒng)等各方面組件，組件建模并融合的難度也較大，為系統(tǒng)性的仿真設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。需要對(duì)電池系統(tǒng)內(nèi)各組件的特性等進(jìn)行獨(dú)立建模仿真，形成模塊化仿真組件和平臺(tái)，才能夠提升數(shù)字孿生電池的建模速度和質(zhì)量，并提高組件可復(fù)用性、實(shí)用性等。

6. 數(shù)字孿生電池應(yīng)用與展望

信息技術(shù)的發(fā)展也為數(shù)字孿生帶來(lái)了新思路和新需求。隨著新能源汽車向電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化方向變革，基于數(shù)字孿生模型的動(dòng)力電池管理與云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)深度融合，對(duì)動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)、管理等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，誕生了基于數(shù)字孿生電池的新服務(wù)和新理念。

1) 基于模型的電池設(shè)計(jì)理念。傳統(tǒng)動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)方法大多依靠經(jīng)驗(yàn)選擇，通過(guò)研發(fā)人員對(duì)材料的理解和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電池正負(fù)極材料的配比、關(guān)鍵物性等進(jìn)行選擇和控制，導(dǎo)致了電池在設(shè)計(jì)完成前的性能屬于未知狀態(tài)，必須要依靠組裝好的成品電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測(cè)試?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)理念通過(guò)在電池組裝前建立電池的等效模型，通過(guò)給出正負(fù)極材料、正負(fù)極厚度、離子濃度、活性顆粒尺寸、固相/液相比例等關(guān)鍵特征、物性參數(shù)等，通過(guò)電化學(xué)原理或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法對(duì)電池組裝后的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而形成設(shè)計(jì)-仿真的閉環(huán)過(guò)程，減少設(shè)計(jì)階段的測(cè)試和驗(yàn)證時(shí)間，提高電池開(kāi)發(fā)效率、減少成本。數(shù)字孿生電池與基于模型的電池設(shè)計(jì)理念相吻合，數(shù)字孿生電池不僅能通過(guò)電池的材料參數(shù)預(yù)測(cè)組裝后的靜動(dòng)態(tài)特性，更可以預(yù)測(cè)其全生命周期的性能，從而為更好的電池設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支撐。

2) 基于模型的模型測(cè)試、驗(yàn)證方法。目前動(dòng)力電池的測(cè)試和驗(yàn)證幾乎完全依賴于線下檢測(cè)設(shè)備，如電池的容量、內(nèi)阻、老化實(shí)驗(yàn)等要依賴于充放電測(cè)試儀、電化學(xué)阻抗譜測(cè)試等依賴于電化學(xué)工作站，設(shè)備依賴性強(qiáng)、測(cè)試費(fèi)用高；針對(duì)動(dòng)力電池管理的關(guān)鍵算法和模型的驗(yàn)證，也均為采用標(biāo)準(zhǔn)化的流程測(cè)試，如電池荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、功率狀態(tài)等，測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)試范圍窄、測(cè)試精度有限?；跀?shù)字孿生電池的測(cè)試和驗(yàn)證方法為研究電池性能、算法性能等提供了新的解決方案，如基于電化學(xué)原理建立的數(shù)字孿生電池，可以在仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取電池的電化學(xué)阻抗信息，并且隨著電池全生命周期的老化過(guò)程而觀測(cè)到電池阻抗譜的演化過(guò)程；將數(shù)字孿生電池封裝為黑盒模型后，可與電池管理的算法、模型等形成軟件在環(huán)測(cè)試或全場(chǎng)景虛擬測(cè)試，通過(guò)數(shù)字孿生電池模擬在高原、高寒、高溫等全氣候全工況場(chǎng)景和過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫等濫用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池管理算法和模型的大范圍、高精度測(cè)試，同時(shí)由于仿真軟件的計(jì)算能力強(qiáng)、仿真加速方法多，基于數(shù)字孿生模型的測(cè)試周期也大大縮短。

3) New IT技術(shù)與數(shù)字孿生深度融合。云計(jì)算、車聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等New IT技術(shù)快速發(fā)展，與數(shù)字孿生相結(jié)合已成為發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字孿生電池需要可供部署和運(yùn)行的大規(guī)模計(jì)算平臺(tái)，并與車端的實(shí)體電池建立良好的溝通反饋渠道，云計(jì)算和車聯(lián)網(wǎng)將打通數(shù)字孿生電池與實(shí)體電池間的屏障，使得數(shù)字孿生電池具備在全生命周期逼近實(shí)體并隨實(shí)體共同演化的可能性。大數(shù)據(jù)和人工智能算法為數(shù)字孿生賦予了新的建模方法和自學(xué)習(xí)思路，對(duì)于傳統(tǒng)的電化學(xué)模型或者等效電路模型而言，在模型建立后其性能便已經(jīng)固定，與實(shí)體電池的相關(guān)性低，難以模擬不同用戶、不同電池的差異性。大數(shù)據(jù)和人工智能算法可以為模型的參數(shù)提供自學(xué)習(xí)方法，通過(guò)上傳的云端數(shù)據(jù)等分析電池在全壽命內(nèi)的性能差異、參數(shù)匹配等，進(jìn)而數(shù)字孿生在全生命周期的演化提供了New IT的解決方案。

4) 智能應(yīng)用/服務(wù)新需求。數(shù)字孿生電池為動(dòng)力電池管理提供了的新思路，其全生命周期演化的優(yōu)勢(shì)將極大地豐富電池管理內(nèi)容和策略，例如動(dòng)力電池微觀層級(jí)的性能演化分析(SEI膜增長(zhǎng)、充電析鋰預(yù)測(cè)、電解液分解、電極膨脹、電池產(chǎn)氣等)，電池宏觀層析的性能預(yù)測(cè)(充放電邊界、快充策略、一致性均衡管理策略、熱仿真分析和熱薄弱環(huán)節(jié)管理)及長(zhǎng)時(shí)安全預(yù)警、剩余壽命預(yù)測(cè)、綜合性能評(píng)價(jià)、殘值評(píng)估等功能，如圖 6所示。數(shù)字孿生電池可以為深入的分析電池性能提供依據(jù)和參考，基于數(shù)字孿生電池的智能化電池管理功能和服務(wù)也將推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、快速健康發(fā)展。

圖 6 數(shù)字孿生與智能化電池管理應(yīng)用

Figure 6. Digital twin and intelligent battery management applications

7. 結(jié)論

隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展與普及，電池壽命、安全性已成為制約新能源汽車性能提升的關(guān)鍵。電池管理技術(shù)是保障電池健康、安全使用的核心，合理管控電池可實(shí)現(xiàn)延壽、性能充分釋放、安全預(yù)警等功能。但目前車端電池管理系統(tǒng)在算力、存儲(chǔ)等方面仍存在瓶頸，導(dǎo)致大量電池管控理論、方法、模型等不能應(yīng)用到車端電池管理中。數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展為電池管理提供了新契機(jī)，通過(guò)建立端-云融合式的智能化電池管理方法，將傳統(tǒng)電池管控拓展至超算力、大存儲(chǔ)的云平臺(tái)中，通過(guò)數(shù)字孿生模型將各類電池建模方法、管控方法等有機(jī)融合，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、健康的電池管理。

本文圍繞目前數(shù)字孿生電池的發(fā)展需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，針對(duì)智能化管理需求下的數(shù)字孿生電池構(gòu)建方法開(kāi)展了研究：

1) 從系統(tǒng)建模與管控需求等方面分析了數(shù)字孿生電池建模的基本準(zhǔn)則，系統(tǒng)性闡述多維度、多尺度、多物理場(chǎng)融合的數(shù)字孿生電池的構(gòu)建準(zhǔn)則，基于用戶使用場(chǎng)景、便捷性、通用性等考慮，數(shù)字孿生模型應(yīng)具備精準(zhǔn)可信、標(biāo)準(zhǔn)化、易部署、易用、可擴(kuò)展、強(qiáng)學(xué)習(xí)等基本特性。

2) 圍繞數(shù)字孿生在全生命周期性、自學(xué)習(xí)性和場(chǎng)景應(yīng)用性的需求，其建模方法可分解為基本模型構(gòu)建、模型融合、模型矯正、模型驗(yàn)證、模型管理5個(gè)步驟，并針對(duì)所應(yīng)用的場(chǎng)景進(jìn)行在模型復(fù)雜度、存儲(chǔ)量、計(jì)算開(kāi)銷等方面進(jìn)行優(yōu)選。

3) 結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期研究，分析了某電池?cái)?shù)字孿生的實(shí)踐案例，按材料-單體-模組-系統(tǒng)4個(gè)層級(jí)建立與物理實(shí)體相映射的電池模型，并分析了現(xiàn)有電池建模方法的不足與挑戰(zhàn)。

隨著數(shù)字能源、智慧能源需求的發(fā)展，數(shù)字孿生電池在生產(chǎn)設(shè)計(jì)、全生命周期管理等場(chǎng)景均具備應(yīng)用能力，通過(guò)指導(dǎo)電芯設(shè)計(jì)、測(cè)試、殘值評(píng)估、智能管控等，拓展現(xiàn)有電池管理方法與平臺(tái)，為電池管理技術(shù)發(fā)展提供思路與參考。

網(wǎng)址: 面向智能化管理的數(shù)字孿生電池構(gòu)建方法 http://www.u1s5d6.cn/newsview1294320.html