CN113019964B - 一种退役动力电池快速分选系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池分选技术领域，且公开了一种退役动力电池快速分选系统，包括管理平台、测试系统、采集系统、控制系统、输入输出系统、供电系统、交流电网和退役电池模块。工作原理，包括以下操作步骤：S1、数据导入及前处理；S2、脉冲充放电测试及指标计算；S3、恒流充放电测试；S4、循环步骤S2～步骤S3不少于6次；S5、标准化欧式距离和一致性指标计算；S6、电池模块分选。根据设定测试方法实时获取电池充放电电流和电压数据，结合诊断模型可快速计算出每节退役电池的SOH；通过修改诊断模型还能应用于不同类型退役动力电池的SOH计算，以解决现有退役动力电池分选方法的效率低和成本高问题。

Description

一种退役动力电池快速分选系统

技术领域

本发明涉及电池分选技术领域，具体为一种退役动力电池快速分选系统。

背景技术

随着近十年的电动汽车快速推广，必然会产生大量退役动力电池，退役动力电池虽然不能应用在电动汽车领域，但大部分电池在其他储能场合还有应用价值，只有少部分需要做报废回收处理。

性能严重劣化的单体退役电池是导致电池包整体退役的主要因素，不仅存在安全隐患，还降低了电池包的可用能量。这种现象导致了退役电池包不能直接配组用于储能系统，必须进行拆分和分选。

传统的电池分选方法为了保证电池分选精度，需要投入大规模测试设备、人力和时间对电池进行全面测试，效率过低，成本高，不适合应用在储能领域的梯次利用。

退役动力电池普遍存在历史运行数据难搜集，无法应用基于大数据的电池筛选技术，现有技术已经出现使用实测容量、内阻、电压曲线转折点等多参数指标，进行多级分选电池的新方案，但需要对电池进行多次全充全放循环试验，仍然存在效率低和成本高的缺陷。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种退役动力电池快速分选系统和方法，具备分选方案简单、测试时间短、分选效率高、成本低的优点，解决了背景技术提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种退役动力电池快速分选系统，包括管理平台、测试系统、采集系统、控制系统、输入输出系统、供电系统、交流电网和退役电池模块，所述管理平台分别通过通信线与测试系统连接、采集系统和控制系统连接，所述测试系统第一端通过直流功率线一与控制系统连接，第二端通过交流功率线与交流电网连接，还通过通信线与管理平台通信，所述采集系统通过采集线束与退役电池模块连接，还通过通信线与管理平台连接，所述控制系统第一端通过直流功率线一与测试系统连接，第二端通过直流功率线二与退役电池模块连接，还通过通信线与管理平台连接，所述输入输出系统与管理平台连接，所述供电系统通过供电网络为管理平台、测试系统、采集系统和控制系统供电。

优选的，所述管理平台用于测试方案、电池模型数据库、分选方案的储存，测试参数指令生成和下发，电池模块实时数据分析，电池模块分选结果统计和生成，以操作系统为软件平台，加载分选系统应用软件，包含但不限于分选软件、数据库软件，数据处理和存储系统，以工控机为硬件平台，实时协调控制分选系统其他部分完成电池模块按程序分选并输出结果。

优选的，所述测试系统根据测试参数指令完成相应的充放电操作，实现交流电网和电池模块间能量转换和传递，所述测试系统为双向变换电源设计，接受管理平台下发指令的控制，能实现电网与电池模块电能的双向传递，电压范围从几伏到上百伏，电流范围从零安培到上百安培，所述测试系统从交流电网侧取电。

优选的，所述采集系统实时采集电压、电流、温度、绝缘电阻四个参数，使用转换速度快的芯片进行轮询方式采集数据，或使用数多通道芯片并行采集数据。

优选的，所述控制系统组成包括直流接触器、断路器、熔断器等开关器件和保险措施，按照管理平台指令控制功率回路通断控制，将系统状态控制信号输出到指示灯。

优选的，所述输入输出系统包括人机界面系统、数据导出接口和打印接口，可手工输入参数或导入外部数据，实时展示电池模块分选状态、分选结果等，也能导出分选过程电池数据或生成打印报表，通过连接打印机打印，完成数据的输入和输出。

优选的，所述供电系统主要为工控机、采集系统和控制系统供电，电源输入端接入交流电网。

优选的，包括以下操作步骤：

S1、数据导入及前处理

输入电池模块的电池类型、电池节数、标称容量等初始参数，采集电池模块中单体电池开路状态下电压，电池模块的初始参数由扫码系统扫描电池模块条形码或二维码输入，或通过键盘、鼠标、触摸屏等人体学设备手工输入，当电池模块中存在单体电池有低于电压下限值或高于上限时，先进行均衡处理，均衡至单体开路电压极差不高于20毫伏止；

S2、脉冲充放电测试及指标计算

电池模块进行脉冲恒流I充电→静置→脉冲恒流I放电，取脉冲恒流I充电结束时刻电压U_c和脉冲恒流I放电电流达到与充电结束时刻相等时对应电压U_d的平均值，作为等效开路电压值。上述过程也可反向进行，即脉冲恒流I放电→静置→脉冲恒流I充电，将脉冲恒流放电结束时刻电压U_d和脉冲恒流充电电流达到与放电结束时刻相等时对应电压U_c的平均值，作为等效开路电压值，该过程的静置时间在5秒至10秒范围内取值，脉冲充放电电流取不低于2小时率电流。该等效开路电压值查电池模型库中的开路电压-SOC曲线得到每节电池当前SOC值。电池模型库中导入的开路电压-SOC曲线数据，是经过充电开路曲线数据和放电开路曲线数据均值化处理的结果，使开路电压与SOC值一一对应。开路电压不在曲线数据节点，按照该数据相邻4个节点间的三次样条插值拟合获得SOC值，该SOC值作为电池进一步充电或放电的依据，该过程同时能计算出电池的直流内阻r、单次累积容量和温度变化；直流内阻r计算式见式(1)；

S3、恒流充放电测试

当电池模块内单体SOC平均值不高于70％时，电池模块进行恒流放电，放电到电池模块SOC变化超过3％为止；当电池模块内单体SOC平均值不低于95％时，电池模块进行恒流充电，充电到电池模块SOC变化超过1％为止；当电池模块内单体SOC平均值介于70％和95％之间时，电池模块先恒流放电到SOC下降至70％，然后再继续恒流放电到电池模块SOC变化超过4％为止；

S4、循环步骤S2～步骤S3不少于6次，电池模块中单体电池开路电压变化矩阵V＝{Δv_ij}，i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,n；单体电池直流内阻矩阵R＝{r_ij},i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,n；统计步骤2)中恒流充电或恒流放电过程中的温度变化与容量比值得矩阵TQ＝{Δt_ij/q_m}，i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,n；m为电池模块中单体电池串数，n为循环测试次数；

S5、标准化欧式距离和一致性指标计算

假设电池模块共有m串电池，电池做n次循环测试验证数据可靠性，计算每两节单体电池间的标准化欧式距离和电池模块中单体电池一致性指数u。

标准化欧式距离计算前需进行标准化处理，具体如下：

需要考察V、R、TQ三个指标。测试数据集X的均值为向量

其中x为v、r、t/q。

测试数据集X的标准差为向量S(s₁,s₂,s₃)

其中s、x同时取v、r、t/q中的值。

那么X的每个样本的每个分量“标准化变量”x*_i,k表示为：

式中i＝1,2,...,m，k＝1,2,3，标准化向量x^* _i的数学期望为0，方差为1。

因此两节电池a、b间的标准化欧氏距离d_ab公式为：

根据式(4)计算得到向量D＝{d_i}，i＝1,2,…,m(m-1)/2；电池模块中单体电池一致性指数u计算式为：

其中

为{d_i}的算术平均值，d_max为{d_i}的最大值，d_min为{d_i}的最小值；n次试验得到一致性指数向量U＝{u_i}，其中i＝1,2,…,n；数据可靠性指数用U中元素的最大值与最小值的比值表示，数据可靠性指数低于1.6认为数据满足要求；

S6、电池模块分选

按照U值大小将电池模块分级为三类：A类为可配组电池模块，B类为短板电池模块，C类为回收电池模块。

本发明具备以下有益效果：

1、该退役动力电池快速分选系统和方法，通过结合电池SOC-开路电压模型的脉冲充放电测试方法，以电池开路电压差、直流内阻和温升/容量特性参数计算单体电池间标准化欧氏距离，并将该距离的一致性作为电池模块分选的指标，根据设定测试方法实时获取电池充放电电流和电压数据，结合诊断模型可快速计算出每节退役电池的SOH；通过修改诊断模型还能应用于不同类型退役动力电池的SOH计算，以解决现有退役动力电池分选方法的效率低和成本高问题。

2、该退役动力电池快速分选系统和方法，通过管理平台、测试系统和采集系统兼容各类不同类型和不同串数电池模块的分选，再结合电池SOC-开路电压模型的脉冲充放电测试方法，能分析数据得到电池开路电压、直流内阻和热特性数据，然后根据该离散性将电池模块分为可配组电池模块、短板电池模块和回收电池模块，使得退役动力电池在分选过程中的效率大幅度提高、分选方法简单便捷，测试时间短，且数据测试精准误差小，解决了电池进行多次全充全放循环试验，效率低下、成本高的问题。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明分选方法流程图；

图3为本发明实施例系统结构图；

图4为本发明实施例方法流程图；

图5为脉冲充放电测试及指标计算图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图3，以AC220V/10kW的分选系统，用于分选比亚迪E6车型退役12.8V200Ah电池模块为例。

分选系统结构见图3，包括管理平台、测试系统、采集系统、控制系统、输入输出系统、供电系统、交流电网和退役电池模块，其中，管理平台分别通过通信线11、12、13与测试系统连接、采集系统和控制系统连接；测试系统第一端通过直流功率线9与控制系统连接，第二端通过交流功率线10与交流电网连接，还通过通信线11与管理平台通信；采集系统3通过采集线束14与退役电池模块连接，还通过通信线12与管理平台连接；控制系统第一端通过直流功率线9与测试系统连接，第二端通过直流功率线15与退役电池模块连接，还通过通信线13与管理平台连接；输入输出系统与管理平台连接；供电系统通过供电网络为管理平台、测试系统、采集系统和控制系统供电；

管理平台为分选系统的核心应用软件部分，用于测试方案、电池模型数据库、分选方案的存储，测试参数指令生成和下发，电池模块实时数据分析，电池模块分选结果统计和生成，以操作系统为搭载平台；测试系统根据测试参数指令完成相应的充放电操作，具有较高的电压、电流、功率控制精度，实现交流电网和电池模块间能量转换和传递；采集系统实时采集电池模块电压、电流、单体电池电压、电池温度、绝缘电阻等信息，可触发报警和保护信息，及时上传至管理平台；控制系统接受管理平台控制指令，完成直流功率回路的通断控制，也能将系统状态控制信号输出到指示灯；输入输出系统用于系统与外界信息交流，完成数据的输入和输出。

管理平台以操作系统为软件平台，如windows7、windows10、Linux等操作系统，加载分选系统软件，包含但不限于专家系统、数据库系统等数据处理和存储系统，以EVOC品牌的PPC-1561V-11型工控机为硬件平台，实时协调控制分选系统其他部分完成电池模块按程序分选并输出结果，管理平台需要预先导入电池模型数据库、电池性能评价算法、电池分级算法、系统报警和保护参数集等数据。

测试系统设计为双向变换电源，定制型号NESI-6K-KG1，接受管理平台下发指令的控制，能实现电网与电池模块电能的双向传递，电压范围从几伏到上百伏，电流范围从零安培到上百安培，能满足单体串联数为两节到几十节的各种电池模块的电压和容量测试要求，电流变化和功率变化响应时间都在毫秒级。这种设计不仅兼容了电池模块类型，还提高了测试效率，同时能做到节能环保和降低测试成本。测试系统从交流电网侧取电。

采集系统实时采集电压、电流、温度、绝缘电阻四个参数，使用转换速度快的芯片进行轮询方式采集数据，或使用数多通道芯片并行采集数据，保证采集周期控制在毫秒级范围内；采集数据实时上传到管理平台进行存储和分析；同时电路设计方案为单节电池到数十节电池兼容，保证采集精度高和采集速度快的同时降低了成本。

控制系统组成包括直流接触器、断路器、熔断器等开关器件和保险措施，按照管理平台指令控制功率回路通断，确保系统按照设定流程执行分选操作，避免操作人员误操作或触电，防止电池过充、过放、过流、过温等滥用情况发生；同时控制系统会发送控制信号给指示灯，显示系统运行状态。

输入输出系统包括人机界面系统、数据导出接口和打印接口等，可手工输入参数或导入外部数据，实时展示电池模块分选状态、分选结果等，也能导出分选过程电池数据或生成打印报表，通过连接打印机打印。

供电系统选用性能稳定的Mean Well EDR-120-24型开关电源，为主要为工控机、采集系统和控制系统供电，电源输入端接入交流电网。

请参阅图4-5

分选步骤详述如下：

S1、数据导入及前处理

手工输入电池模块的电池类型LFP-E6、电池节数4、标称容量200、开路电压上限3.55、开路电压下限2.5共五个初始参数，采集电池模块中单体电池开路状态下电压。当电池模块中存在单体电池有低于电压下限值或高于上限时，先进行均衡处理，均衡至单体开路电压极差不高于20毫伏止。

电池节号	1	2	3	4	最大值	最小值
							开路电压(V)	3.297	3.297	3.298	3.298	3.298	3.297

电池模块中单体电池无需均衡，直接进行下一步。

S2、脉冲充放电测试及指标计算

将电池模块进行100A恒流放电30s→静置10s→100A恒流充电30s，取恒流放电结束时刻电压U_d和恒流充电电流达到100A时对应电压U_c的平均值，作为等效开路电压值。该等效开路电压值查电池模型库中的开路电压-SOC曲线，得到每节电池当前SOC值。电池模型库中导入的开路电压-SOC曲线数据，是经过充电开路曲线数据和放电开路曲线数据均值化处理的结果，使开路电压与SOC值一一对应。

开路电压不在曲线数据节点，按照该数据相邻4个节点间的三次样条插值拟合获得SOC值，该SOC值作为电池进一步充电或放电的依据。根据式(1)能计算出电池的直流内阻值r。

第1次“脉冲放电→静置→脉冲充电”数据：

电池节号	1	2	3	4
					电流(A)	100	100	100	100
U<sub>d</sub>(V)	3.248	3.25	3.251	3.249
					U<sub>c</sub>(V)	3.31	3.309	3.309	3.311
等效开路电压(V)	3.279	3.2795	3.28	3.28
					直流内阻(mΩ)	0.31	0.295	0.29	0.31

S3、恒流放电测试

电池模块内单体SOC平均值为37.44％，进行恒流放电，SOC下降4％截止。第1次恒流放电过程中电池的单次累积容量Q和温度变化ΔT。

电池节号	1	2	3	4
					充电/放电电流(A)	100	100	100	100
单次累积容量Q(Ah)	6.40	6.40	6.40	6.40
					初始温度(℃)	21	21	21.5	21.5
结束温度(℃)	21.5	21.5	21.5	22
					温度变化ΔT(℃)	0.5	0.5	0	0.5
ΔT/Q(℃/Ah)	0.07813	0.07813	0	0.07813

S4、步骤S2～步骤S3循环6次，得到如下数据矩阵：

电池模块中单体电池开路电压变化矩阵V

单体电池直流内阻矩阵R

温度变化与容量比值得矩阵TQ

标准化欧式距离和一致性指标计算

电池模块共有4串电池，电池做6次循环测试验证数据可靠性，每次试验计算每两节单体电池间的标准化欧式距离和电池模块中单体电池一致性指数u。

S5、标准化欧式距离计算前需进行标准化处理，具体如下：

需要考察V、R、TQ三个指标。第1次测试数据集X的均值为向量

其中x为v、r、t/q，根据式(1)计算得

测试数据集X的标准差为向量S(s₁,s₂,s₃)

其中s、x同时取v、r、t/q中的值，根据式(2)计算得S(0.5,0.0138,0.0391)。

那么X的每个样本的每个分量“标准化变量”x^* _i,k表示为：

式中i∈{1,2,3,4}，k∈{1,2,3}，标准化向量x^* _i的数学期望为0，方差为1。

X的标准化矩阵为：

因此两节电池a、b间的标准化欧氏距离d_ab，计算式见式(4)：

根据式(4)计算得到向量D＝{2.277,2.033,2.958,3.180,1.816,2.128}；电池模块中单体电池一致性指数u计算式为：

其中

为D的算术平均值，d_max为D的最大值，d_min为D的最小值；根据式(5)计算得u₁＝11.84；6次实验得向量U＝{11.84，12.96，13.14，18.64，14.73，13.44}，数据可靠性指数用U中元素的最大值与最小值的比值表示；本实施例中U的可靠性指数为1.574，低于阈值1.6，认为数据可靠性满足要求。

S6、电池模块分选

按照U值大小将电池模块分级为三类：U≤16分级为A类，16＜U≤30分级为B类，U＞30分级为C类。A类为可配组电池模块，B类为短板电池模块，C类为回收电池模块。根据模块分选标准，该模块为A类电池模块，可直接用于电池簇配组。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种退役动力电池快速分选系统，其特征在于：包括管理平台、测试系统、采集系统、控制系统、输入输出系统、供电系统、交流电网和退役电池模块，所述管理平台分别通过通信线与测试系统连接、采集系统和控制系统连接，所述测试系统第一端通过直流功率线一与控制系统连接，第二端通过交流功率线与交流电网连接，还通过通信线与管理平台通信，所述采集系统通过采集线束与退役电池模块连接，还通过通信线与管理平台连接，所述控制系统第一端通过直流功率线一与测试系统连接，第二端通过直流功率线二与退役电池模块连接，还通过通信线与管理平台连接，所述输入输出系统与管理平台连接，所述供电系统通过供电网络为管理平台、测试系统、采集系统和控制系统供电；

退役动力电池快速分选系统操作步骤如下：

S1、数据导入及前处理

输入电池模块的电池类型、电池节数、标称容量等初始参数，采集电池模块中单体电池开路状态下电压，电池模块的初始参数由扫码系统扫描电池模块条形码或二维码输入，或通过键盘、鼠标、触摸屏等人体学设备手工输入，当电池模块中存在单体电池有低于电压下限值或高于上限时，先进行均衡处理，均衡至单体开路电压极差不高于20毫伏止；

S2、脉冲充放电测试及指标计算

电池模块进行脉冲恒流I充电→静置→脉冲恒流I放电，取脉冲恒流I充电结束时刻电压U_c和脉冲恒流I放电电流达到与充电结束时刻相等时对应电压U_d的平均值，作为等效开路电压值；上述过程也可反向进行，即脉冲恒流I放电→静置→脉冲恒流I充电，将脉冲恒流放电结束时刻电压U_d和脉冲恒流充电电流达到与放电结束时刻相等时对应电压U_c的平均值，作为等效开路电压值，该过程的静置时间在5秒至10秒范围内取值，脉冲充放电电流取不低于2小时率电流；该等效开路电压值查电池模型库中的开路电压-SOC曲线得到每节电池当前SOC值；电池模型库中导入的开路电压-SOC曲线数据，是经过充电开路曲线数据和放电开路曲线数据均值化处理的结果，使开路电压与SOC值一一对应；开路电压不在曲线数据节点，按照该数据相邻4个节点间的三次样条插值拟合获得SOC值，该SOC值作为电池进一步充电或放电的依据，该过程同时能计算出电池的直流内阻r、单次累积容量和温度变化；直流内阻r计算式见式(1)；

S3、恒流充放电测试

当电池模块内单体SOC平均值不高于70％时，电池模块进行恒流放电，放电到电池模块SOC变化超过3％为止；当电池模块内单体SOC平均值不低于95％时，电池模块进行恒流充电，充电到电池模块SOC变化超过1％为止；当电池模块内单体SOC平均值介于70％和95％之间时，电池模块先恒流放电到SOC下降至70％，然后再继续恒流放电到电池模块SOC变化超过4％为止；

S4、循环步骤S2～步骤S3不少于6次，电池模块中单体电池开路电压变化矩阵V＝{Δv_ij}，i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,n；单体电池直流内阻矩阵R＝{r_ij},i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,n；统计步骤S2中恒流充电或恒流放电过程中的温度变化与容量比值得矩阵TQ＝{Δt_ij/q_m}，i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,n；m为电池模块中单体电池串数，n为循环测试次数；

S5、标准化欧式距离和一致性指标计算

假设电池模块共有m串电池，电池做n次循环测试验证数据可靠性，计算每两节单体电池间的标准化欧式距离和电池模块中单体电池一致性指数u；

标准化欧式距离计算前需进行标准化处理，具体如下：

需要考察V、R、TQ三个指标，测试数据集X的均值为向量

其中x为v、r、t/q；

测试数据集X的标准差为向量S(s₁,s₂,s₃)

其中s、x同时取v、r、t/q中的值；

那么X的每个样本的每个分量“标准化变量”x*_i,k表示为：

式中i＝1,2,...,m，k＝1,2,3，标准化向量x^* _i的数学期望为0，方差为1；

因此两节电池a、b间的标准化欧氏距离d_ab公式为：

根据式(4)计算得到向量D＝{d_i}，i＝1,2,…,m(m-1)/2；电池模块中单体电池一致性指数u计算式为：

其中

为{d_i}的算术平均值，d_max为{d_i}的最大值，d_min为{d_i}的最小值；n次试验得到一致性指数向量U＝{u_i}，其中i＝1,2,…,n；数据可靠性指数用U中元素的最大值与最小值的比值表示，数据可靠性指数低于1.6认为数据满足要求；

S6、电池模块分选

按照U值大小将电池模块分级为三类：A类为可配组电池模块，B类为短板电池模块，C类为回收电池模块。

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