CN104914379B - 一种基于动态优化的回流式全自动电池配组系统 - Google Patents
一种基于动态优化的回流式全自动电池配组系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于动态优化的回流式全自动电池配组方法及系统，其电池配组系统包括：电池性能检测装置，输送装置及主控机；输送装置中的输入传送带与环形传送带的一边相互平行并连接，环形传送带与输出传送带相互垂直并连接，输出传送带与出口传送带相互垂直并连接；输入传送带末端设置挡板、推入气缸)和光电门；环形传送带与输出传送带相连接的地方设置推出气缸和光电门，推出气缸旁边设置传感器；推出气缸和推入气缸之间的距离为环形传送带上两相邻两节电池间的间距。其电池配组方法包括以下步骤：电池输入与配组优化计算、电池推出、和电池配组输出。该电池配组方法及系统能根据当前的状态进行实时配组优化选择，提高了配组质量和成功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于动态优化的回流式全自动电池配组方法及系统，属于电池检测、分选、配组优化技术领域。
背景技术
动力电池通常需要成组使用，由于生产工艺水平的限制，即使是同批次的产品，单节电池之间也会存在一些性能上的差异，在成组使用过程中经常会发现其中有一节电池性能落后，而使整组电池性能(如容量)明显下降，而且这种现象会随着使用次数(时间)的增多而越来越明显，不能满足续行里程要求，从而使整组电池报废或更换。这种现象称为性能不一致造成的性能(容量)衰减现象。这种现象会加大用户的使用成本；造成电池制造厂家的高退货率，也会使整个生产厂家的产品形象受到影响；因此其对整个电动车产业的健康稳定发展有着重大影响。相反，一组电池中每节电池间的一致性较好，则会使这个电池组的使用寿命明显提高。因此越来越多的整车生产厂家和电池制造厂家均认识到电池检测配组的重要性和必要性。先后都将电池检测配组作为至关重要的质量控制步骤。动力电池要求检测配组供应已成为电动自行车用电池或其他动力电池的特点。目前通常的电池检测配组方法是在电池制造好后，先检测电池的电压、电阻、容量等性能参数或性能曲线，然后根据其中的某些或某个性能参数或性能曲线，进行计算、比较和分析、通过分组和筛选把性能接近(在某一个误差范围内)的若干节电池配为一组，使电池组具有良好的一致性。
如当前电动自行车用电池的检测配组方法是：先把所要进行检测配组的电池先充电至饱和，然后在同一路电池中进行串联(如18节或16节)恒流放电，当放电接近末期(一般为单节电池平均电压等于10.8伏特)时，用设备同时自动测量记录或人工依次测量记录每节电池的电压，最后把电压值偏差在一定范围内的进行配组，这种方式一直在被电池生产企业和电池使用单位沿用，存在过程复杂耗时、无法实现流水线检测配组、配组效率及配组质量不高等缺点。
为此设计出一种基于动态优化的回流式全自动电池配组方法及系统，该系统采用动态配组方法，总是能根据当前的状态进行实时配组选择，提高了配组的质量；同时采用电池回流方法实现电池的多次配组选择，提高了配组成功率，此外采用多目标优化的数学模型，通过设置不同的出口传送带配一组电池所需的电池数量、优先级及不同性能参数及其权重系数等，可实现不同数量要求的、多个性能参数约束的、多目标优化的电池配组，提高该电池配组流水线的柔性和灵活性，因此其应用前景非常广泛。
发明内容
为解决现有配组方法配组效率低，质量不高等问题，本发明提供了一种基于动态优化的回流式全自动电池配组方法及系统，采用了以下技术方案：
一种基于动态优化的回流式全自动电池配组系统，包括电池性能检测装置，输送装置及主控机；
所述输送装置包括输入传送带、环形传送带、输出传送带、挡板、推入气缸、推出气缸、出口气缸、传感器、出口传送带；所述输入传送带与环形传送带的一边相互平行并连接，环形传送带与输出传送带相互垂直并连接，输出传送带与出口传送带相互垂直并连接；所述输入传送带末端设置挡板、推入气缸和光电门；所述环形传送带与输出传送带相连接的地方设置推出气缸和光电门，推出气缸旁边设置传感器；所述推出气缸和推入气缸之间的距离为环形传送带上两相邻电池间的间距；所述输出传送带与出口传送带相连接的地方设置出口气缸和光电门。
所述电池性能检测装置安装在输入传送带上；
进一步的，基于所述系统的电池配组优化方法包括以下步骤：
(1)电池输入与配组优化计算：当输入气缸对应的环形传送带上的电池空缺时，输入气缸把经过性能检测的电池推入到环形传送带上；同时主控机使用电池配组优化数学模型根据最新的系统状态重新进行配组优化计算，刷新环形传送带上的所有电池的配组标记。
(2)电池推出：当有电池到达推出气缸时，如果电池是不合格的、或在环形传送带上运行圈数已达到上限值的或已被分配标记有第1至第m-2个出口传送带编号的，那么推出气缸工作把该电池推入到输出传送带上；否则，刷新该电池在环形传送带上的运行圈数。
(3)电池配组输出：当电池进入到输出传送带后，电池经过出口气缸时，主控机会根据其是不合格的、或是在环形传送带上运行圈数已达到上限值、或是已被分配标记有第1至第 m-2个出口传送带编号的不同情况，控制出口气缸工作把电池推入到相应的出口传送带上，当第1至第m-2个出口传送带中电池的数量到达配组数量要求时把电池配组清空。
所述电池配组优化数学模型如下：
(1)参数与决策变量：
i：环形传送带上的电池的编号，从推入气缸对应的电池位置开始沿顺时针方向依次为： 1,…,n；
j：出口传送带的编号，1,…,m；根据需要把出口传送带中最后两个分别设置为电池在环形传送带上运行圈数已达到上限值(如20圈)后仍没有配组成功的电池出口通道和不合格电池出口通道；
k：电池性能参数编号，1,…,l；
Qj：已进入第j个出口传送带的等待配组的电池数量，j＝1,…,m-2；
Oj：第j个出口传送带一组电池所需的电池数量，j＝1,…,m-2
第k个电池参数的合格区间；
vik：环形传送带上第i个电池的第k个参数值；
xij：决策变量，0或1，1表示第i个电池配到第j个出口传送带，j＝1,…,m-2；
已进入第j个出口传送带的第r个电池的第k个参数值，j＝1,…,m-2；
Pj：第j个出口传送带的优先因子，j＝1,…,m-2；
第k个参数值的权重系数
δj：第j个出口传送带配出的电池组的性能一致性差异限值，j＝1,…,m-2；
(2)目标函数：
(3)约束条件：
其中，公式(1)为目标函数，最小化组内电池加权平均性能差异；公式(2)表示一个电池只能配到一个出口传送带；公式(3)表示必须为第1至第m-2个出口传送带配满电池；公式(4)表示不合格电池不能被分配到第1至第m-2个出口传送带；公式(5)表示第1至第m-2个出口传送带内电池第k个参数值的均值；公式(6)表示第1至第m-2个出口传送带内电池间的平均性能差异不能超过其限值δj。
本发明对比已有技术具有以下优点：
1.采用自动化流水线的检测配组方法，减少人工配组工作量，节约人工成本，提高配组效率。
2.采用动态配组方法，总是能根据当前的状态进行实时动态配组优化选择，提高配组质量。
3.采用回流方法可实现对电池的多次配组选择，提高配组成功率，另外设置了不合电池出口传送带和在规定时间内没有配组成功的合格电池出口传送带，确保不合格电池能及时离开流水线，同时也防止了很难配组成功的电池长时间滞留在流水线上的情况，从而进一步提高了流水线的配组效率和质量。
4.通过设置不同的Oj可以实现混配，即在同一条流水线上同时可以配不同数量要求的电池组(例如可同时配3个一组的和4个一组的)，可实现多组电池的同时配组优化。
5.通过设置电池性能参数数量l，可实现考虑多个性能参数约束的电池配组优化；并可以通过设置不同的权重值系数体现各参数的重要程度。
6.通过设置出口传送带的优先因子Pj，在满足电池一致性要求的基础上，可实现控制不同出口的电池组质量，一般情况下Pj越大，对应的出口传送带配出的电池性能一致性越好。
附图说明
图1是本发明整体机构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参见附图1所示，一种基于动态优化的回流式全自动电池配组系统，包括电池性能检测装置3，输送装置及主控机。
输送装置主要由输入传送带2、环形传送带7、输出传送带8及出口传送带11组成，其中输入传送带2与环形传送带7的一边相互平行并连接，环形传送带7与输出传送带8相互垂直并连接，输出传送带8与出口传送带11相互垂直并连接。
在输入传送带上安装电池性能检测装置，用于检测电池性能参数。
在输入传送带2末端设置挡板4，其作用是使输入传送带2末端具有一定的缓存功能，此外在输入传送带2末端设置推入气缸5和光电门，光电门与挡板配合作用确保推入气缸5 工作时不会为空行程。
在环形传送带7与输出传送带8相连接的地方设置推出气缸6和光电门，推出气缸6和光电门配合工作，把环形传送带7上的电池推入到输出传送带8上，其中推出气缸6和推入气缸5之间的距离为环形传送带7上两相邻电池间的间距；此外在推出气缸6旁边设置传感器10，用以检测环形传送带7上电池的运行圈数。
在输出传送带8与出口传送带11相连接的地方设置出口气缸9和光电门，出口气缸9和光电门配合工作，把输出传送带8上的电池推入到出口传送带11上。
进一步的，基于所述系统的电池配组优化方法包括以下步骤：
(1)电池输入与配组优化计算：当输入气缸对应的环形传送带上的电池空缺时，输入气缸把经过性能检测的电池推入到环形传送带上；同时主控机使用电池配组优化数学模型根据最新的系统状态重新进行配组优化计算，刷新环形传送带上的所有电池的配组标记。
(2)电池推出：当有电池到达推出气缸时，如果电池是不合格的、或在环形传送带上运行圈数已达到上限值的或已被分配标记有第1至第m-2个出口传送带编号的，那么推出气缸工作把该电池推入到输出传送带上；否则，刷新该电池在环形传送带上的运行圈数。
(3)电池配组输出：当电池进入到输出传送带后，电池经过出口气缸时，主控机会根据其是不合格的、或是在环形传送带上运行圈数已达到上限值的、或是已被分配标记有第1至第m-2个出口传送带编号的等不同情况，控制出口气缸工作把电池推入到相应的出口传送带上，当第1至第m-2个出口传送带中电池的数量到达配组数量要求时把电池配组清空。
所述电池配组优化数学模型如下：
(1)参数与决策变量：
i：环形传送带7上的电池的编号，从推入气缸对应的电池位置开始沿顺时针方向依次为： 1,…,n；
j：出口传送带11的编号，1,…,m；根据需要把出口传送带11中最后两个分别设置为电池在环形传送带7上运行圈数已达到上限值(如20圈)后仍没有配组成功的电池出口通道和不合格电池出口通道；
k：电池性能参数编号，1,…,l；
Qj：已进入第j个出口传送带11的等待配组的电池数量，j＝1,…,m-2；
Oj：第j个出口传送带11一组电池所需的电池数量，j＝1,…,m-2
第k个电池参数的合格区间；
vik：环形传送带7上第i个电池的第k个参数值；
xij：决策变量，0或1，1表示第i个电池配到第j个出口传送带11，j＝1,…,m-2；
已进入第j个出口传送带11的第r个电池的第k个参数值，j＝1,…,m-2；
Pj：第j个出口传送带11的优先因子，j＝1,…,m-2；
第k个参数值的权重系数
δj：第j个出口传送带11配出的电池组的性能一致性差异限值，j＝1,…,m-2；
(2)目标函数：
(3)约束条件：
其中，公式(1)为目标函数，最小化组内电池加权平均性能差异；公式(2)表示一个电池只能配到一个出口传送带11；公式(3)表示必须为第1至第m-2个出口传送带11配满电池；公式(4)表示不合格电池不能被分配到第1至第m-2个出口传送带11；公式(5)表示第1至第m-2个出口传送带11内电池第k个参数值的均值；公式(6)表示第1至第m-2 个出口传送带11内电池间的平均性能差异不能超过其限值δj。
本发明的工作过程和原理如下：
流水线刚开始启动时，输入传送带2上的电池1经性能(如：电池容量、开路电压、内阻等)检测装置检测后通过推入气缸5按一定的时间间隔被推入到环形传送带7上，当第n节电池1被推入后(此时环形传送带上的电池已满)，主控机根据电池配组优化数学模型(式1-6) 进行配组优化计算，对环形传送带7上的电池1进行配组标记。
此后，每当有电池1到达推出气缸6时进行如下判断和操作：如果电池1是不合格的、或在环形传送带7上运行圈数已达到上限值的或已被分配标记有出口传送带11编号的，那么推出气缸6工作把该电池1推入到输出传送带8上，经过(d是传送带7上相邻两节电池的间距， u是传送带7的运行速度)时间后推入气缸5工作把一节经过检测的电池1从输入传送带2推入到环形传送带7上，同时主控机根据电池配组优化数学模型(式1-6)根据最新的系统状态重新进行配组优化计算，刷新环形传送带7上的所有电池的配组标记。否则，只刷新该电池1在环形传送带7上的运行圈数(在原来的基础上加1)。
当电池1进入到输出传送带8后，电池1经过出口气缸9时，主控机会根据其是不合格的、或是在环形传送带7上运行圈数已达到上限值的、或是已被分配标记有第1至第m-2个出口传送带11编号的等不同情况，控制出口气缸9工作把电池1推入到相应的出口传送带11上，当第1 至第m-2个出口传送带11中电池1数量到达配组数量要求时把电池配组清空。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于动态优化的回流式全自动电池配组系统，其特征在于：包括电池性能检测装置(3)，输送装置及主控机；
所述输送装置包括输入传送带(2)、环形传送带(7)、输出传送带(8)、挡板(4)、推入气缸(5)、推出气缸(6)、出口气缸(9)、传感器(10)、出口传送带(11)；所述输入传送带(2)与环形传送带(7)的一边相互平行并连接，环形传送带(7)与输出传送带(8)相互垂直并连接，输出传送带(8)与出口传送带(11)相互垂直并连接；所述输入传送带(2)末端设置挡板(4)、推入气缸(5)和光电门；所述环形传送带(7)与输出传送带(8)相连接的地方设置推出气缸(6)和光电门，推出气缸(6)旁边设置传感器(10)；所述推出气缸(6)和推入气缸(5)之间的距离为环形传送带(7)上两相邻两节电池间的间距；所述输出传送带(8)与出口传送带(11)相连接的地方设置出口气缸(9)和光电门；
所述电池性能检测装置(3)安装在输入传送带(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态优化的回流式全自动电池配组系统，其特征在于：基于该系统的电池配组优化方法包括以下步骤：
(1)电池输入与配组优化计算：当输入气缸(5)对应的环形传送带(7)上的电池空缺时，输入气缸(5)把经过性能检测的电池(1)推入到环形传送带(7)；同时主控机使用电池配组优化数学模型根据最新的系统状态重新进行配组优化计算，刷新环形传送带(7)上的所有电池的配组标记；
(2)电池推出：当有电池(1)到达推出气缸(6)时，如果电池(1)是不合格的、或在环形传送带(7)上运行圈数已达到上限值的或已被分配标记有第1至第m-2个出口传送带(11)编号的，那么推出气缸(6)工作把该电池(1)推入到输出传送带(8)上；否则，刷新该电池(1)在环形传送带(7)上的运行圈数；
(3)电池配组输出：当电池(1)进入到输出传送带(8)后，电池(1)经过出口气缸(9)时，主控机会根据其是不合格的、或是在环形传送带(7)上运行圈数已达到上限值、或是已被分配标记有第1至第m-2个出口传送带(11)编号的不同情况，控制出口气缸(9)工作把电池(1)推入到相应的出口传送带(11)上，当第1至第m-2个出口传送带(11)中电池(1)的数量到达配组数量要求时把电池配组清空；
所述电池配组优化数学模型如下：
(1)参数与决策变量：
i：环形传送带(7)上的电池的编号，从推入气缸(5)对应的电池位置开始沿顺时针方向依次为：1,…,n；
j：出口传送带(11)的编号，从下到上依次为：1,…,m；根据需要把出口传送带(11)中最后两个分别设置为电池在环形传送带(7)上运行圈数已达到上限值后仍没有配组成功的电池出口通道和不合格电池出口通道；
k：电池性能参数编号，1,…,l；
Qj：已进入第j个出口传送带(11)的等待配组的电池数量，j＝1,…,m-2；
Oj：第j个出口传送带(11)一组电池所需的电池数量，j＝1,…,m-2，
第k个电池参数的合格区间；
vik：环形传送带(7)上第i个电池的第k个参数值；
xij：决策变量，0或1，1表示第i个电池配到第j个出口传送带(11)，j＝1,…,m-2；
已进入第j个出口传送带(11)的第r个电池的第k个参数值，j＝1,…,m-2；
Pj：第j个出口传送带(11)的优先因子，j＝1,…,m-2；
第k个参数值的权重系数
δj：第j个出口传送带(11)配出的电池组的性能一致性差异限值，j＝1,…,m-2；
(2)目标函数：
(3)约束条件：
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