CN112858942A - 一种退役电池健康状态均衡方法 - Google Patents

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陈佩军
苏斌
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周斌
赵欢伟
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Abstract

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种退役电池健康状态均衡方法，包括对退役电池进行基于可循环次数的健康状态SOH定义；确定退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD的定量关系；确定各个退役电池的初始健康状态SOHin；选择初始健康状态SOHin在健康状态阈值范围内的退役电池进行分组并分装到储能系统；确定工作时的放电深度DOD；储能系统运行过程中利用雨流计数法记录每个退役电池的已循环次数NC；根据退役电池的放电深度DOD设定退役电池的已循环次数阈值NCd；当退役电池的已循环次数NC达到已循环次数阈值NCd时，对退役电池的健康状态SOH重新计算，若退役电池的健康状态SOH达到报废标准，则进行报废处理。本发明实现所有退役电池的同时报废。

Description

一种退役电池健康状态均衡方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种退役电池健康状态均衡方法。
背景技术
随着电动汽车的普及，对于动力电池组的需求越来越高，电池产业迅猛发展。由于电动汽车对于动力电池组的峰值功率等特性要求较高，根据行业标准，当电池的健康状态下降到80％时，动力电池组就应该退役。如何安全、高效地处理退役电池，将会逐步成为资源、环境与新能源汽车发展之间的主要矛盾。退役的动力电池，直接对其进行报废处理，电池的剩余价值难以得到有效体现，处理不当还可能引发重金属元素对自然环境的危害。在退役电池外观完好、元器件功能有效的情况下，对其进行合理的梯次利用可以减少直接进入回收阶段的电池数量，还可让退役动力电池在其它领域充分发挥剩余价值。
由于储能系统对于瞬时功率的需求要低于电动汽车，所以电动汽车退役电池有足够的能量和功率输出能力来应用到电网辅助服务中。这样能够有效降低电池储能系统的成本。但是，电池退役前的充放电方式、环境温度、自放电特性不可能完全相同。因此退役电池彼此间呈现出明显的SOH不一致现象，严重影响退役电池的集成再应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种退役电池健康状态均衡方法，以实现所有退役电池组的同时报废。
一种退役电池健康状态均衡方法，包括：
S1：对退役电池进行基于可循环次数的健康状态SOH定义；
S2：获取退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD关系曲线，确定退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD的定量关系；
S3：对退役电池进行健康状态SOH检测，确定各个退役电池的初始健康状态SOHin；
S4：选择初始健康状态SOHin在健康状态阈值范围内的退役电池进行分组并分装到储能系统；
S5：根据各个退役电池的初始健康状态SOHin确定工作时的放电深度DOD；
S6：储能系统运行过程中利用雨流计数法记录每个退役电池的已循环次数NC；
S7：根据退役电池的放电深度DOD设定退役电池的已循环次数阈值NCd；
S8：当退役电池的已循环次数NC达到已循环次数阈值NCd时，对退役电池的健康状态SOH重新计算，若退役电池的健康状态SOH未达到报废标准，则返回步骤S5，若退役电池的健康状态SOH达到报废标准，则进行报废处理。
优选的，所述对退役电池进行基于可循环次数的健康状态SOH定义包括：
退役电池的健康状态SOH的定义式如下：
Figure BDA0002806190850000021
其中，CF(DODi)指的是以可循环总次数CF为因变量、放电深度DOD为自变量的函数关系；i表示第i个退役电池。
优选的，所述确定各个退役电池的初始健康状态SOHin包括：
通过测量各个退役电池可放出最大容量Ccurrent，利用式(2)来确定退役电池的初始健康状态SOHin：
Figure BDA0002806190850000031
其中，Crated表示退役电池的额定容量。
优选的，所述根据各个退役电池的初始健康状态SOHin确定工作时的放电深度DOD包括：
假定某一退役电池仅以某一确定的DODi进行放电，则根据CF(DODi)关系可以得到确定的CFi值，则式(1)可以简化为SOH与NCi之间简单的线性关系：
Figure BDA0002806190850000032
通过控制退役电池的放电深度DOD使得初始健康状态SOHin较大的退役电池的健康状态SOH衰减较快，初始健康状态SOHin较小的退役电池的健康状态SOH衰减较慢，使得各个退役电池在已循环次数阈值NCd内较快地达到健康状态SOH均衡：
设定约束条件如式(4)所示：
Figure BDA0002806190850000033
其中，Ci表示第i个退役电池的容量；P表示储能系统实时功率；u表示电池储能系统的实时输出电压。
当各个退役电池的健康状态SOH相等之后，则令各个退役电池的放电深度DOD相等使得之后各个退役电池的健康状SOH以相同的速率下降。
本发明的有益效果：
1.选择初始健康状态SOHin在健康状态阈值范围内的退役电池进行分组并分装到储能系统，根据各个退役电池的初始健康状态SOHin确定工作时的放电深度DOD，最终实现所有退役电池的同时报废；
2使用雨流计数法来记录电池使用循环过程中的DOD和循环次数这两个容易测量的量，减小了退役电池集成再应用过程中工程设计和维护人员的工作量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一种退役电池健康状态均衡方法流程示意图；
图2是本发明实施例一种退役电池健康状态均衡方法中对初始健康状态不同的电池组进行SOH均衡的效果示意图；
图3是本发明实施例一种退役电池健康状态均衡方法中理想情况下退役电池组使用过程中SOC变化情况示意图；
图4是本发明实施例一种退役电池健康状态均衡方法中实际退役电池组使用过程中的SOC变化情况示意图；
图5是本发明实施例一种退役电池健康状态均衡方法中实际退役电池组使用过程中雨流计数法示意图；
图6是本发明实施例一种退役电池健康状态均衡方法的均衡流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明实施例提出一种退役电池健康状态均衡方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：对退役电池进行基于可循环次数的健康状态SOH定义。
在基于“事件”的老化模型的基础上，可以推导基于可循环次数定义的退役电池SOH模型。定义“事件”为退役电池在某一确定的放电深度DOD下已经循环的次数NCi，而该“事件”在退役电池寿命范围内能够发生的次数就是在该放电深度DOD下退役电池可能够循环的总次数CF，此时退役电池的SOH定义式见式(1)：
Figure BDA0002806190850000051
其中，CF(DODi)指的是以可循环总次数CF为因变量、退役电池的放电深度DOD为自变量的函数关系，不同的放电深度DOD会导致不同的可循环总次数CF。
S2：获取退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD关系曲线，确定退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD的定量关系。
在本实施例中，根据电池生产商在电池使用技术手册中给出的可循环总次数CF与放电深DOD关系曲线进行拟合，确定放电深CF与可循环总次数DOD的定量关系。
S3：对退役电池进行健康状态SOH检测，确定各个退役电池的初始健康状态SOHin。
通过测量各个退役电池可放出最大容量，利用式(2)来确定SOHin：
Figure BDA0002806190850000052
其中，Ccurrent是退役电池目前状态下可放出的最大容量，而Crated是退役电池的额定容量。
如果实验条件有限或者工程要求不高的话，可以直接按照各个型号动力电池退役时的健康状态SOH数据或该型号电动汽车健康状态SOH退役要求作为初始健康状态SOHin，这样处理会降低后续健康状态SOH估计的准确性，但是也减少了电池测试工作量，所以可根据工程要求进行取舍。
S4：选择初始健康状态SOHin在健康状态阈值范围内的退役电池进行分组并分装到储能系统。
在本实施例中，选择初始健康状态SOHin相同或相近的退役电池来搭配构成储能系统，以减少各退役电池均衡所需要的时间。
S5：根据各个退役电池的初始健康状态SOHin确定工作时的放电深度DOD。
对于式(1)，假定某退役电池i仅以某一确定的放电深度DODi进行放电，则根据CF(DODi)关系可以得到确定的可循环总次数CFi值，则式(1)可以简化为健康状态SOH与已循环次数NCi之间简单的线性关系，如式(3)所示，其中SOHin和CFi均为常数。可见，控制退役电池的放电深度DOD即可控制可循环总次数CF，从而控制健康状态SOH变化速度。
Figure BDA0002806190850000061
通过控制退役电池的放电深度DOD使得初始健康状态SOHin较大的退役电池的健康状态SOH衰减较快，初始健康状态SOHin较小的退役电池的健康状态SOH衰减较慢，使得各个退役电池在已循环次数阈值NCd内较快地达到健康状态SOH均衡，使得电池储能系统中的“木桶效应”影响降到最低。需要满足的约束条件如式(4)所示。
Figure BDA0002806190850000071
其中，Ci表示第i个退役电池的容量；P表示储能系统实时功率；u表示电池储能系统的实时输出电压，即第一个不等式限制各个退役电池的总放电量必须保证系统输出电量的要求；第二个不等式含义为经过NCd次循环后，各退役电池的健康状态SOH等于同一个常数，即达到了均衡状态。
当各退役电池的健康状态SOH相等之后，则令各退役电池的放电深度DOD相等使得之后各退役电池的健康状态SOH以相同的速率下降，从而使得各退役电池能够同时达到工作健康状态极限而同时报废，如附图2所示，最大程度地利用了系统中的每个退役电池的可用容量。
S6：储能系统运行过程中利用雨流计数法记录每个退役电池的已循环次数NC。
如附图3所示，如果退役电池在储能系统中工作时每次都按照前述步骤中设定的放电深度DOD放电(如附图3中的30％)，而且每次放电结束后都会充电到放电前的状态，则退役电池的在这一放电深度DOD下的循环次数非常方便计数，a、b两点之间即为一个全循环。
但是，在储能系统实际运行过程中，根据式(4)设计的各个退役电池的放电深度DOD值，不一定总是能满足系统对于放电容量和功率的需求，比如某些特殊工况下需要各个电池组都进行完全放电；另一方面，还有可能出现如附图4所示的情况，即退役电池在还没有完成一次设定放电深度DOD下的全循环时就又投入到新的一次放电中去。所以实际运行中，退役电池的放电深度DOD很有可能会变化。因此使用雨流计数法来对已循环次数NCi进行计数，同时也记录下每次全循环对应的放电深DODi值。
以附图4中的SOC变化曲线为例对这种计数方法进行说明，如附图5所示。使用雨流计数法时，首先要将附图4顺时针旋转90度，这时SOC曲线就像一系列“屋檐”一样，“雨水”沿着“屋檐”向下流。该方法中使用半循环为单位进行计数，每两个半循环组成一个全循环。每个半循环都是从一个极值点开始。从任意一个极值点开始的雨流路径都与一个半循环相对应。当遇到以下几种情况时，雨流的下落必须中断：
(1)当雨流下落到图中曲线的最终时间时，比如半循环1、2、5；
(2)雨流从某一个极值点开始流动，当遇到比其起始极值更大的极值时，如半循环3；
(3)当雨流遇到上面的“屋檐”流下的“雨流”时，如半循环4、6。
每个半循环的DOD值是其起始点和终止点的SOC的差值，比如半循环1和2的DOD均为28％。通过雨流计数方法就可以得出复杂的SOC变化过程中的不同放电深度DOD对应的已循环次数NC值。雨流计数法的编程实现较为成熟，方便应用于储能系统中。
S7：根据退役电池的放电深度DOD设定退役电池的已循环次数阈值NCd。
在步骤2中，通过获取退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD关系曲线，已确定退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD的定量关系。根据退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD的定量关系，即可确定退役电池的可循环总次数CF，而退役电池的已循环次数阈值NCd一般设置为与可循环总次数CF相等或略小于可循环总次数CF。
S8：当退役电池的已循环次数NC达到已循环次数阈值NCd时，对退役电池的健康状态SOH重新计算，若退役电池的健康状态SOH未达到报废标准，则返回步骤S5，若退役电池的健康状态SOH达到报废标准，则进行报废处理。
本发明的整体流程如图6所示，首先对退役电池进行基于可循环次数的健康状态SOH定义，确定退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD的定量关系，对退役电池进行健康状态SOH检测，选择初始健康状态SOHin在健康状态阈值范围内的退役电池进行分组并分装到储能系统，根据式(4)针对不同初始健康状态SOHin的电池设计放电深度DOD值使得当已循环次数NC达到已循环次数阈值NCd时各个退役电池的健康状态SOH相等，储能系统运行过程中利用雨流计数法记录每个退役电池的已循环次数NC，若已循环次数NCi小于已循环次数阈值NCd，则返回继续记录每个退役电池的已循环次数NC，若已循环次数NCi大于或等于已循环次数阈值NCd，则将已循环次数NCi、放电深度DODi代入式(3)计算得到新的初始健康状态SOHin。判断健康状态SOH是否达到储能电池报废标准，若是，则进行电池报废处理，否则返回退役电池健康状态SOH均衡步骤。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种退役电池健康状态均衡方法，其特征在于，包括：
S1：对退役电池进行基于可循环次数的健康状态SOH定义；
S2：获取退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD关系曲线，确定退役电池的可循环总次数CF与放电深度DOD的定量关系；
S3：对退役电池进行健康状态SOH检测，确定各个退役电池的初始健康状态SOHin；
S4：选择初始健康状态SOHin在健康状态阈值范围内的退役电池进行分组并分装到储能系统；
S5：根据各个退役电池的初始健康状态SOHin确定工作时的放电深度DOD；
S6：储能系统运行过程中利用雨流计数法记录每个退役电池的已循环次数NC；
S7：根据退役电池的放电深度DOD设定退役电池的已循环次数阈值NCd；
S8：当退役电池的已循环次数NC达到已循环次数阈值NCd时，对退役电池的健康状态SOH重新计算，若退役电池的健康状态SOH未达到报废标准，则返回步骤S5，若退役电池的健康状态SOH达到报废标准，则进行报废处理。
2.根据权利要求1所述的一种退役电池健康状态均衡方法，其特征在于，所述对退役电池进行基于可循环次数的健康状态SOH定义包括：
退役电池的健康状态SOH的定义式如下：
Figure FDA0002806190840000011
其中，CF(DODi)指的是以可循环总次数CF为因变量、放电深度DOD为自变量的函数关系；i表示第i个退役电池。
3.根据权利要求1所述的一种退役电池健康状态均衡方法，其特征在于，所述确定各个退役电池的初始健康状态SOHin包括：
通过测量各个退役电池可放出最大容量Ccurrent，利用式(2)来确定退役电池的初始健康状态SOHin：
Figure FDA0002806190840000021
其中，Crated表示退役电池的额定容量。
4.根据权利要求2所述的一种退役电池健康状态均衡方法，其特征在于，所述根据各个退役电池的初始健康状态SOHin确定工作时的放电深度DOD包括：
假定某一退役电池仅以某一确定的DODi进行放电，则根据CF(DODi)关系可以得到确定的CFi值，则式(1)可以简化为SOH与NCi之间简单的线性关系：
Figure FDA0002806190840000022
通过控制退役电池的放电深度DOD使得初始健康状态SOHin较大的退役电池的健康状态SOH衰减较快，初始健康状态SOHin较小的退役电池的健康状态SOH衰减较慢，使得各个退役电池在已循环次数阈值NCd内较快地达到健康状态SOH均衡：
设定约束条件如式(4)所示：
Figure FDA0002806190840000023
其中，Ci表示第i个退役电池的容量；P表示储能系统实时功率；u表示电池储能系统的实时输出电压。
当各个退役电池的健康状态SOH相等之后，则令各个退役电池的放电深度DOD相等使得之后各个退役电池的健康状SOH以相同的速率下降。
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