赛博链：为电池全生命周期管理提供数字化解决方案 | CellPress论文速递

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物质科学

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电动化、智能化、网联化、共享化正在成为汽车产业的发展潮流和趋势。新能源汽车融汇新能源、新材料和互联网、大数据、人工智能等多种变革性技术，将大大推动汽车从单纯交通工具向移动智能终端、储能单元和数字空间转变。作为新能源汽车“三纵三横”研发布局的重要一环，构建高强度、轻量化、高安全、低成本、长寿命的动力电池及管理系统，完善动力电池回收、梯级利用和再资源化的全生命周期循环利用体系，成为亟待突破的关键核心技术之一。

近日，北京航空航天大学杨世春教授、刘新华助理教授团队发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上题为"CHAIN: Cyber Hierarchy and Interactional Network Enabling Digital Solution for Battery Full-Lifespan Management"的论文，提出了一种电池全生命周期管理系统的数字化解决方案：赛博链（CHAIN）。

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赛博链架构被视为动力电池全生命周期管理系统的解决方案之一被提出。赛博链独特的分层网络架构在电池微观机理方面符合多工况、多体系、多尺度的研发思路；在电池成组方面满足“单体-模组-电池包”的工艺流程；在电池全生命周期利用方面契合“材料-电池-材料”的闭环循环；在电池云端管控方面与“端-边-云”的多层协同布局相适应，分层的架构能够更好的融合已有的微观-宏观耦合模型、智慧工厂解决方案、故障预测与健康管理（PHM）、数据驱动平台等技术体系，具有强大的泛化能力、普适性和包容性，针对不同层次的功能可以提供适宜的网络配置和硬件算力，实现资源利用最大化和管理效益最优化。赛博链架构具有的交互式网络框架下，动力电池系统在数字孪生模型“信息感知”的基础上演化出“反馈调节”能力，不仅能够在赛博物理空间完成“数字孪生（Digital Twin）”和“数字主线（Digital Thread）”，还能更好进行多源信息融合，大大提升赛博链架构的自适应性和集成能力，满足电池系统精细化管理和未来能源互联网构建的需求。

▲图1  赛博链架构示意图

其具体解决思路可从以下三个方面描述：

一、设计智能化：

数字化工厂下的多尺度（multi-scale）云数据模型的物理再现技术，可以对产品研发与制造进行系统的优化迭代指导。在从原子，晶体，颗粒，结构设计及制造过程中，产生大量多尺度下的数据并同时上传到云服务器。一方面可以开发高性能、更安全、更环保的新材料设计规则，另一方面研究人员可以利用云端收集的产品使用数据，优化现有产品的加工工艺，避免传统的产品设计流程局限于个人/企业自身的专业知识。

▲图2  赛博链：电池材料-系统控制多尺度管理

二、数据多维化：

安全监控的时间维度包括驾驶、充电、停车。从大倍率、高功率驾驶到充电或停车时的极端温度环境，电动汽车有望在多种复杂情况下得到全面监控管理。数据类型涵盖了材料-单体-模组-系统-整车从微观到宏观的多尺度信息，而且还有温度、电流、电压、湿度、环境、工况等多维度电池数据。

三、功能分级化：

赛博链是一个多层级的互联平台，分为cyber-end和vehicle-end两个部分。其中cyber-end包含一系列高性能的计算处理单元，可完成智能计算、数据存储、大数据分析、多尺度建模、故障诊断和安全预警等计算，实现复杂模型的迭代解析。而vehicle-end中的BMS负责实时感知监测、记录，基本状态估计与预警提示并同时将状态数据加密上传至cyber-end，车端所实现的任务要求实时性高、计算较为简单、精度相对适中，而计算复杂或者长时间尺度的参数迭代更新、控制方案优化皆由云端的高性能服务设备进行。

▲图3 CHAIN 多工况管控和功能分级

四、全生命周期管理：

按照相关标准，动力电池的容量衰减到额定容量的80%以下，就不再适用于电动汽车，但是从汽车上“退役”的动力电池，仍可以用于储能、低速电动车等领域。因此电池的梯次再生利用也是近几年来面临的严峻问题，赛博链（CHAIN）着眼于电池的全生命周期，可以实现动力电池生产和回收信息的可追踪、可溯源。PHM管理可以监测电池状态，检测故障隐患，并利用基于模型、数据驱动和混合预测等方法精确预测剩余使用寿命(RUL)。从原材料-电池制造-整车组装-梯次利用-拆解回收实现闭环循环，电池状态数据在循环的每一步都可以上传和共享到云服务器中进行数据分析和控制管理，有效缓解能源和环境双重压力。

▲图4 赛博链：电池全生命周期预测与健康管理

随着新兴产业的快速发展，大数据时代已经到来，在电池、太阳能等前景广阔的智能储能系统和储能应用领域，需要通过多学科的探索和分析，制定前沿战略。国家战略性新兴产业规划确定了7大新兴产业领域（23个重点方向），有“节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料”。赛博链（CHAIN）是一个放眼未来的数字化解决方案，相信能够为产业升级发展提供新思路。

▲图：北航沙河校区国家实验室

镜面广场映射本文的镜面架构：物理实体与孪生模型

H形楼映射本文Hierarchy的多级架构

参考文章

Yang et al., CHAIN: Cyber Hierarchy and Interactional Network Enabling Digital Solution for Battery Full-Lifespan Management, Matter (2020), https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.04.015

论文通讯作者简介

杨世春 

教授

杨世春，北京航空航天大学交通科学与工程学院教授、博士生导师、院长，入选国家万人计划领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、全国优秀科技工作者。全国汽车标准化技术委员会电动车辆分标委副主任委员、SAE车辆安全与信息安全技术委员会副主席、中国智能交通协会专家委员会道路车辆专业工作委员会专家。主要从事新能源汽车能源动力系统安全、高效优化及控制理论研究，第一完成人获得国家科技进步二等奖1项、中国汽车工业技术发明一等奖1项和教育部科技进步二等奖1项。

刘新华 

助理教授

刘新华，北京航空航天大学交通科学与工程学院助理教授，英国帝国理工大学客座讲师，多年来致力于新能源相关领域研究，相关工作以基础为切入点，应用为导向，依托精细电池模型、大数据挖掘和电池管理技术实现动力电池性能评估、状态预测与安全预警。

相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Matter上，

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▌论文标题：

CHAIN: Cyber Hierarchy and Interactional Network Enabling Digital Solution for Battery Full-Lifespan Management

▌论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30186-7

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.04.015

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