提升电动汽车可持续性:一种基于降阶物理模型的电池管理系统新方法 | MDPI Electronics

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交通运输领域的电气化主要驱动力应是实现可持续性，其核心衡量标准是全球公认的七大生态效率原则。尽管电动汽车 (EV) 因其在使用阶段可促进更清洁能源的使用而被广泛视为可持续替代方案，但当前市场趋势与这些可持续性原则之间存在显著矛盾。

一方面，为缓解消费者的里程焦虑，原始设备制造商 (OEM) 倾向于配备容量日益增大的锂电池 (LIB)，导致车辆重量增加、材料消耗上升，反而与“降低材料强度”和“降低能源强度”的原则相悖。

另一方面，诸如数字孪生 (DT) 等依赖云端高算力、高存储的先进电池管理系统 (BMS) 解决方案，其额外的基础设施建设和资源消耗可能抵消LIB带来的环境效益。因此，亟需探索一种既能提升电池性能和使用寿命，又不会额外增加环境负担的技术路径，以真正推动电动汽车产业的可持续发展。

整车厂应对电动汽车局限性的策略及其对可持续性的影响分析

为解决上述矛盾，本研究提出将基于电化学原理的伪二维降阶模型 (P2D-ROM) 集成到本地BMS中，以提升对电池状态 (State-of-X, SoX) 的估计精度，从而在不显著增加计算资源和材料消耗的前提下，延长电池使用寿命与使用强度。

1. 可持续性评估与核心问题

基于七大生态效率原则对电动汽车行业主流解决方案进行分析，发现当前以硬件升级为导向的策略与可持续性原则存在根本矛盾。例如，增大电池容量导致整车质量增加，违背材料与能源强度降低原则；而依赖云端算力的电池管理系统则带来显著的额外能耗与环境负担。

2. P2D-ROM解决方案

针对上述矛盾，本研究提出通过将伪二维降阶模型 (P2D-ROM) 嵌入本地BMS来提升电池状态估计精度。该方案的核心优势在于能够在避免额外资源消耗的前提下，通过软件优化实现电池使用寿命和效能的提升。

3. 模型构建与仿真验证

采用单粒子模型 (SPM) 作为P2D-ROM的实现方式，在PyBaMM仿真平台上进行验证：

• 选用代表性的LG M50-T电芯参数，集成SEI生长、LAM和LLI等关键退化机制。

• 设计包含日常驾驶循环和定期验证循环的两阶段测试流程，连续运行1000次循环模拟真实使用场景。

• 从电化学计量学角度重构SoX估计方法，建立基于电极锂离子浓度化学计量值的SoC、SoH和SoF计算模型。

4. 性能评估分析

将SPM计量学方法的估计结果与传统直接测量法获得的数据进行对比，通过均方根误差分析和趋势一致性评估，验证P2D-ROM在嵌入式BMS中应用的精度与可行性。

实验流程、计算与数值更新过程

单粒子模型在驾驶循环序列中的功能状态估计