20电动汽车动力电池强时变非线性的解析建模与状态量高精度估计

1、2019年度国家自然科学奖提名公示材料项目名称电动汽车动力电池强时变非线性的解析建模与状态量高精度估计提名单位教育部提名意见（不超过600字）该项目面向国际前沿和国家战略，在电动汽车动力电池管理核心理 论和方法方面做出原创性引领贡献：提出并建立了动力电池机理-频域- 电气特性综合解析模型，深度揭示了动力电池输出电压特性与其内部参 数和状态间的非线性、时变映射规律，应用信息熵理论提出了模型复杂 度与预测精度和实时性之间的协同计算准则；通过电池状态与输出静、 动态电压特性重构，提出了两类融合模型和现代控制理论的状态估计方 法，建立了动力电池静态电势在线辨识N阶时序递推方程和多时间尺度、 多算法融合

2、的多状态协同估计器；建立了动力电池组不确定性量化模型， 揭示了不一致性对其性能衰退的耦合效应和演化机理，首次提出了动力 电池组状态分段估计准则以及表征单体的筛选和动态更新方法，解决了 动力电池组和单体间的状态等效估计问题。项目成果得到Shixue Dou、 Stefan Pischinge、Jinyue Yan、欧阳明高等院士和学木同仃的正面评价， 成功用于北汽新能源、郑州宇通客车、联合汽车电子等企业。8篇代表作SCI他引1150次，其中3篇入选“中国百篇最具影响国际学 术论文”、2篇获SCI期刊年度最佳论文奖。完成人任IEEE ITEC2014、 ICAE2016等大会主席，作国际会议特邀报

3、告16次，入选科睿唯安全球高 被引科学家。该项目获教育部自然科学奖一等奖。对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度自 然科学奖二等奖。发展以电驱动为特征的新能源汽车是国际共识和我国的国家战略， 动力电池及系统管理是技术瓶颈。针对模型建不精、状态估不准、系统 管不好等动力电池管理研究领域急需解决的关键科学问题，从单体到系 统逐级深入，创建了电动汽车动力电池及系统状态量高精度估计的新理 论与新方法，实现了动力电池可用容量动态更新和状态精度的自适应标 定，为系统解决动力电池全寿命、全工况、全环境的高性能管理国际难 题提供了理论支撑。主要科学发现点如下：提出并建立了动力电池机理-频

4、域-电气特性综合解析模型，深度揭 示了动力电池输出电压特性与其内部参数和状态间的非线性、时变映射 规律，应用信息熵理论提出了模型复杂度与预测精度和实时性之间的协 同计算准则。美国梅隆杰出教授Richard White课题组从微观分析和试验 两方面验证了该模型，瑞典Jinyue Yan院士评价该模型新颖(novel)、鲁 棒性更强，第三方评测不同老化和温度端电压预测误差0.32%O项目简介通过电池状态与输出静、动态电压特性重构，提出了两类融合模 型和现代控制理论的状态估计方法，建立了动力电池静态电势在线辨识 N阶时序递推方程和多时间尺度、多算法融合的多状态协同估计器。“很 好地兼顾了高精度和低计

5、算量”(IEEE/ASME会士，美国Michael Pecht 教授)，取得了显著(remarkable)进展(中科院院士、欧阳明高教授)，IEEE Access副主编、马来西亚M.A.Hannan教授综述引用该项目9篇论文并 评价在精度和可靠性方面取得了令人满意的(satisfactory)效果，发展和丰 富了动力电池状态估计的理论和方法体系。建立了动力电池组不确定性量化模型，揭示了不一致性对其性能 衰退的耦合效应和演化机理，首次提出了动力电池组状态分段估计准则 以及表征单体的筛选和动态更新方法，解决了动力电池组和单体间的状 态等效估计问题。J. Energy Storage主编、德国Dir

6、k Uwe Sauer教授和 IEEE会士、美国Chris Mi教授分别评价该方法具有“优异(excellent 能”，IET会士、新加坡King Jet Tseng教授称赞该工作为动力电池管理 领域创新性(innovatively和富有洞察力的(insightful)H作。该项目8篇代表作SCI他引1150次、总他引1931次，其中3篇入 选中国百篇最具影响国际学术论文(电动汽车领域仅有的3篇)、2篇获 IEEE Trans Veh Technol等期刊年度最佳论文奖。项目发表论文入选ESI 高被引25篇，获授权发明专利5件。三名完成人作国际学术会议特邀报 告16次，任IEEE电气化交通大会

7、ITEC2014和国际应用能源大会 ICAE2016等大会主席，入选科睿唯安全球高被引科学家。第三方检测动 力电池组全工况、高低温环境应用SOC估计误差1.67%，在北汽新能源、 郑州宇通客车、联合汽车电子等企业得到成功应用，用户评价“SOC估计 误差小于3%，估计精度高且性能表现可靠、稳定”。王哲荣院士任组长 的鉴定组认为该项目“动力电池状态估计技术处于国际领先水平”。发现点一针对动力电池“模型建不精”存在的科学问题，代表性论 文1、2、3总SCI他引526次，代表性评价包括：美国梅隆杰出教授奖 获得者Richard White课题组从电池石墨电极微纳米结构微观特性分析和 试验两方面证明了锂

8、离子动力电池充放电过程具有明显的双极化特性， 探索性地提出一种等效电路模型，并指出“该模型和何洪文等提出的锂 离子动力电池双极化模型有很强的相似性(strong similarities) ”，验证了该 项目提出的动力电池N阶电气解析模型；美国硅谷创新源泉“帕罗奥多 研究中心PARC”首席科学家Peter Kiesel引用指出“何洪文等对浓差极 化和电化学极化分别进行建模的动力电池双极化模型取得了最精确 (most accurate)的动力电池SOC估计”；澳大利亚科学与工程院院士 Shixue Dou教授引用指出“提出的基于动力电池N阶电气解析模型时序 递推方程以及带遗忘因子的RLS模型参数

9、辨识方法，省略了繁琐的矩阵 计算，明显优于卡尔曼滤波KF类算法，不仅能够得到精确的开路电压 而且能够在电池全寿命周期自适应获得准确的模型参数”。客观评价发现点二针对动力电池“状态估不准”存在的科学问题，代表性论文 1、4、5、6总SCI他引637次，代表性评价包括：IEEE Access副主编、 马来西亚M.A.Hannan教授对代表性论文1、4连续引用并评价“提出了基 于改进Thevenin模型的动力电池荷电状态AEKF估计算法，应用于锂离 子动力电池，获得了准确的具有鲁棒性的结果，相比EKF，SOC估计误 差从3.16%降至1.06%；同时应用AEKF算法进行在线模型参数辨识， 基于OCV

10、-SOC查表进行SOC估计，表现出满意的应用效果，估计误差 在W2%”；德国North Rhine-Westphalian科学人文与艺术院院士、FEV总 裁Stefan Pischinger教授引用指出“熊等提出了一种多尺度动力电池模型 参数和状态估计方法，宏观时间尺度定义为60s用于估计动态容量，不 同老化状态验证结果表明获得了2%的SOC和容量估计误差”；美国总 统青年奖得主、IEEE Fellow、韩国Bo-Hyung Cho教授引用评价“熊等 提出了一种数据驱动的考虑不同衰退特性的动力电池SOC和SOP协同 估计算法以及一种数据驱动的考虑动力电池不同寿命状态的模型参数和 状态多尺度滤波

11、估计算法，融合了动力电池电化学反应过程的非线性特 性，获得了更高精度的动力电池管理状态参数”。发现点三针对动力电池组“系统管不好”存在的科学问题，代表性 论文7、8总SCI他引128次，代表性评价包括：IET会士、新加坡King Jet Tseng教授称赞该工作为创新性(innovatively)地和富有洞察力的 (insightful )工作：为了最大化电池组的容量/能量利用率，熊等设计 了一种实用的动力电池组SOC估计算法，创新性地解决了不确定性建模 问题的不确定度量化方法。结果显示出高准确性，并对BMS领域意义重 大”；IEEE会士、美国Chris Mi教授引用评价采用偏差修正方法来 确

12、保电池模型的预测性能，这种方法在不确定的操作情况和电池组中显示出优异的性能和高准确度”；中国科学院院士、欧阳明高教授引用指出 “应用径向基函数神经网络构建了不一致性偏差的响应面近似模型， 实现了电池组精确的端电压预测，SOC估计误差02%，该方法实现了复 杂度和准确度的完美平衡，非常适用于动力电池组建模”。全国竞标获北汽新能源公司项目，验收评价磷酸铁锂动力电池 系统高精度状态估计、精细化自适应高可靠性动力电池管理系统等成果 在我公司开发的整车产品上得到应用，部分技术达到国内领先、国际一 流水平”；全球最大的新能源客车企业郑州宇通应用评价“动力电池 SOC估计误差小于3%，估计精度高且性能表现可

13、靠、稳定，远优于在 用的其他管理系统”；联合汽车电子应用评价“动力电池SOC估计的精度 较高，处于行业领先水平”。代表作5、6、7分别入选2013、2014、2016年度中国百篇最具影响 国际学术论文；代表作 6获IEEE VTS颁发的2018 Best Vehicular Electronics Paper Award。完成人任IEEE ITEC2014电气化交通大会和 Applied Energy ICAE2016国际应用能源大会等大会主席、入选科睿唯安 全球高被引学科学家，牵头成立全球范围内动力电池管理领域唯一的一 个 Applied Energy UniLAB。中国汽车工程学会组织，王

14、哲荣院士任组长的成果鉴定组认为该项 目“动力电池状态估计技术处于国际领先水平。获2018年度教育部 自然科学奖一等奖。代表性论文专著目录序 号论文专著名称/刊 名/作者年卷页 码发表 时间通讯作者第一作者国内作 者SCI 他引 次数他引总次数论文 署名 单位 是否 包含 国外 单位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页2012 年3 月何洪 文何洪 文何洪文， 张晓伟， 熊瑞，许 永莉，郭 洪强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页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页2012 年12 月何洪 文何洪 文何洪文，熊瑞，郭洪强，李树春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页2011年5 月何洪 文何洪 文何洪文， 熊瑞，张 晓伟，孙 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页2013 年1 月何洪 文熊瑞熊瑞，何 洪文，孙 逢春，赵 凯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页2014 年1 月熊瑞熊瑞熊瑞，孙逢春，陈贞，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在线发2016 年162 卷1399-1 409页2014 年12 月 (onl ine)熊瑞孙逢 春孙逢春，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页2015 年1 月熊瑞孙逢 春孙逢春， 熊瑞5182否合计11501931主要完成人 情况何洪文、排名第一、北京理工大学机械与车辆学院副院长、教授、现工作 单位北京理工大学、成果完成单位北京理工大学。全面负责本项目理论研 究工作，提出并建立了动力电池N-RC电气解析模型；提出了基于动力电 池N-RC电气解析模型的OCV在线辨识和SOC估计方法；建立了将动力 电池SOC和动态极化电压作为状态量、将输出电压作为观测量的SOC状 态估计算法模型；提出了基于表征单体的动力电池组系统状态估曲方 法。是代表性论文1、2、3、4的第一作者和通讯作者以及代表性论文5 的通讯作者。对重要科学发现点1、2、3有重要贡献。熊瑞、排名第二、副研究员、现工作单位北京理工大学、成果完成单位北 京理工大学。建立了动力电池机理-频域-电气特性综合解析模型；提出了 基于存档和实时运行数据驱动的五步骤动力电