CN117410598A - 一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动力电池梯次利用技术领域，具体涉及一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法；包括：选择与退役动力电池模组相关的多个指标；对多个退役动力电池模组的每个指标进行测量，得到多个退役动力电池模组的指标值矩阵；将多个退役动力电池模组的指标值按照相似性进行分组，得到相似性不同的多个组；将每个组的指标值，分别和其他指标的平均值进行组合，进行仿真，得到每个电池包的预测寿命；通过线性回归方法获得每个指标的相似性权重参数；依据权重参数进行重新分组，并将同一组内的电池模组进行配置为新的电池包，本方法实现了电池模块成组再装配梯次利用，具有高安全、高性能、低成本、售后风险低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池梯次利用技术领域，具体地说涉及一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法。
背景技术
近年来，新能源电池汽车逐渐成为汽车市场的重要力量。而从动力类型来看，纯电动新能源汽车是国内新能源汽车的主流发展方向。同时，随着新能源汽车的发展，未来几年，我国即将进入动力电池大规模退役时期，接下来几年都将是回收高峰期。因而，实现动力电池有效回收具有重要的现实意义。
动力电池回收利用是新能源产业链的全链建设和末端处理环节，动力电池退役时仍保有70%至80%的剩余储电能力，其容量和功率仍然可以满足多种储能场合的需求，通过回收利用可以延长电池的使用寿命，减少资源浪费。此外，通过电池梯次利用可以充分挖掘电池的剩余价值，降低电池用户全生命周期的使用成本。因而对退役动力电池回收利用最有效的途径是先进行梯级利用，再进行资源回收提取。因此如何有效进行动力电池的梯次利用成为我国目前动力电池技术发展的重要研究方向之一。
动力电池的梯次回收利用可以促进电池制造、电动车制造、能源储存等产业的融合和发展，形成更加完整和可持续的产业链。同时，梯次回收利用也可以推动相关技术和管理水平的提升，促进产业的升级和发展。
CN108199109B公开了一种退役动力电池包梯次利用的筛选方法，包含：预检、室温容量检测、倍率检测、内阻检测、电压检测；将不满足梯次利用的退役动力电池包拆解成动力电池模块，然后进行以下处理：外观检查、容量检测、倍率检测、内阻检测、电压检测；最后，将筛选后的退役动力电池包和动力电池模块进行梯次利用；该方法基于容量、内阻、功率、电压为四大体现电芯性能的因素，从该四个因素对电芯性能敏感度从大到小开始筛选，提高了筛选的一致性，并分别对电池包和电池模块进行筛分，增加了梯次利用的领域。
CN111816938B公开了一种退役电池梯次利用方法，包括：步骤S1、退役电池的分选；步骤S2、单体退役电池的重新重组；步骤S3、基于多簇电池系统并联的柔性成组储能系统的构建。该方案根据当前梯次簇电池自身容量，自动调整输出能量至PCS以及充电机，以兼容各种梯次电池簇并联大功率输出，消除不同梯次电池簇差异性并联之间产生的环流问题。
但现有的动力电池梯次回收工艺中，对退役动力电池进行基本性能检测后即进行重组，没有考虑到检测合格的电池模块之间的指标相似性，导致重组的电池模块在各项性能上的波动较大，缺乏有效的控制手段，使重组后的电池包性能不稳定，且存在安全性风险。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种新能源汽车废旧动力电池梯次利用的方法，将退役车用动力电池包高效拆解后得到电池模块以及其他零部件，得到的电池模块，然后对电池模块进行性能诊断测试，根据重点指标进行分选，把关键性指标达标且性能接近的电池模块，经成组再装配作为可循环利用的小型储能电池包产品，具有高安全、高性能、低成本、售后风险低的优点。
本发明完整的技术方案包括：
一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法，包括如下步骤：
（1）指标选择：选择与退役动力电池模块相关的多个指标；
（2）对多个退役动力电池模块的每个指标进行测量，得到多个退役动力电池模块的指标值矩阵；
（3）针对每个指标，将多个退役动力电池模块的指标值进行分组，得到相似性不同的多个组；
（4）将每个指标的每个组的指标值，分别和其他指标的平均值进行组合，作为电池包并进行电池包使用过程仿真，并得到每个电池包的预测寿命；
（5）根据仿真数据，通过线性回归方法获得每个指标的相似性权重参数；
（6）根据指标相似性权重系数选择重点指标，并根据重点指标再次进行分组，将同组内的电池模块进行配置为新的电池包。
进一步的，所述重点指标为电池模块的循环次数、容量和内阻。
进一步的，所述电池模块需要先进行性能检测，检测合格的进入回收组合。
进一步的，所述检测包括余能检测、电压、容量和内阻测试。
进一步的，余能检测后，对达不到要求电量的进行充电、超过要求电量的进行放电，使之达到统一的电量要求。
进一步的，容量测试为在25℃条件下，对电池模块进行1个循环的充放电测试。
进一步的，步骤（7）所得到的新的电池包用于储能设备。
进一步的，基于所述方法退役电池模块组合方法的退役电池梯次利用方法，对退役动力电池包进行扫码录入、表面清洁、充放电余能检测后，初步拆解得到电池模块，随后对电池模块分选分为合格电池模块和不合格电池模块，对于合格电池模块按照前面所述方法进行组合并与成套组件组装成用于储能设备的梯次利用电池包；对不合格电池模块进行物理放电后拆解，检测出失效的电池单体，对失效电池单体进行打粉回收处理。
本发明相对于现有技术，按照电池再装配和材料再利用的循环模式，实施退役动力电池的全生命周期价值链回收利用。对退役的动力电池包经无损拆解、性能评估、再装配，为各种小型动力包与储能电池包进行再使用，实现动力电池从新能源汽车到助力车、电动工具、家庭储能、光伏储能电站等领域的梯级使用。
附图说明
图1为本发明退役电池模块组合方法流程图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
一种退役动力电池模块配置组合的方法，如图1所示，包括如下步骤：
（1）首先为指标选择，选择与退役动力电池模块相关的多个指标。在退役动力电池重组过程中，需要选择与退役动力电池模块相关的多个指标；目前在该领域，退役电池模块首先要进行基本指标的筛选，例如充放电速率、直流内阻测试、静态压差测试、放电容量、循环次数、温度检测、电压电流检测等。目前对指标的选择以及测试，有较多的自定义方式。但即便对于基本检测合格的电池模块，各指标的值也有较大的波动，因此，如何选择合适的指标，并对指标值不同的多个电池模块，如何进行配置组合，是首先要解决的问题。本发明配置重组后的电池包主要应用于储能产业，因而优先选择与稳定性相关的指标，为减少计算结果，选择指标数目控制在10个以内。
（2）对多个退役动力电池模块的每个指标进行测量，得到多个退役动力电池模块的指标值矩阵；具体为：
对于第个电池模块，对其/>个指标的值进行测定，得到值向量，对总计/>个电池模块分别操作，并得到多个退役动力电池模块的指标值矩阵/>：
（3）针对每个指标，将多个退役动力电池模块的指标值按照相似性进行分组，得到相似性不同的多个组；
本发明的其中一个目的是考察各单项指标的相似性，对于重组后电池包的性能影响程度。因而需要首先针对单个指标，获得具有不同指标的相似性分组，为此，本步骤根据如下方式进行相似性分组：
2.1）根据以上获得的所有电池模块的指标值矩阵，针对某单个指标如第/>个指标，随机选择/>个电池模块，将其指标值作为初始中心；并形成/>个组。
2.2）针对每个电池模块，分别计算它到每个中心的距离如下：
式中，为第/>个电池模块到中心的距离，/>代表中心。/>为第/>个电池模块的指标值，/>为中心指标值。并将其分到距离最小的中心所对应的组中，构成分组的结果/>。
2.3）对分组的结果，计算每个组中的指标值的平均值，作为新的分组中心。
重复步骤2.2）-步骤2.3），当分组中心不再发生变化，且没有电池模块被重新分配给不同的组时停止分组，并得到最后的分组结果。
最后的分组结果中，包含关于第个指标的多个指标组，每个组内包含多个电池模块，但每个组的指标值相似度是不同的，为了在下一步能获得权重参数，还需要对相似度进行归一化处理，首先获得某个组内的平均距离，假设该组内有/>个电池模块指标值，将所有电池模块到该组中心的距离相加并取平均值，得到该组的平均距离/>，随后进行归一化：
为第/>组进行归一化后的指标相似性，/>为第/>组的平均距离，/>为所有组中的最大平均距离。
（4）将分组结果每个组内电池模块的指标值，分别和其他指标的平均值进行组合，作为电池包的仿真参数，进行电池包使用过程仿真。本步骤的仿真采用Battery DesignStudio软件，其为一款商用蓄电池分析和设计软件，可以预测蓄电池的寿命、性能和温度。并得到每个电池包的电池包预测寿命。
依次对所有指标进行上述操作，这样就获得包含所有指标的数据集，数据集包含多个指标，每个指标下有相似性不同的多个分组，以及每个组的电池包预测寿命。
（5）根据前面得到的分组及仿真数据，通过回归分析获得每个指标相似性的权重参数。为减低处理难度，采用线性回归模型，将归一化后的指标相似性作为自变量，将电池包预测寿命目标变量作为因变量，使用线性回归工具得到每个指标的指标相似性权重系数，指标相似性权重系数代表了该指标相似性的重要程度。
（6）根据权重系数选择重点指标，如选择权重系数排名前三的指标，定义为第一指标、第二指标和第三指标，在本实施方式中分别为循环次数、容量和内阻，利用其进行指标的综合相似性分组，并将同一组内的电池模块进行配置为新的电池包。具体包括：
6.1）首先根据前述的测量结果，构建所有电池模块的性能特征矩阵：
式中，为电池模块的数量，第一行为/>个电池模块的第一指标值，第二行为/>个电池模块的第二指标值，第三行为/>个电池模块的第三指标值。每一列分别代表一个电池模块的三个指标值。
6.2）随机选择个电池模块，将其指标值作为初始中心；并形成/>个组。
6.3）针对每个电池模块，分别计算它到每个中心的距离如下：
式中，为综合相似性分组第/>个电池模块到中心的距离，/>代表中心。
并将其分到距离最小的初始中心所对应的组中，构成分组结果。
6.4）对分组的结果，计算每个组中的距离均值，作为新的分组中心。
重复步骤6.3）-步骤6.4），当分组中心不再发生变化，且没有电池模块被重新分配给不同的组时停止分组，并得到最后的分组结果，并将同一组内的电池模块进行配置为新的电池包。
此外，本发明还公开了一种基于上述退役动力电池模块配置组合方法的新能源汽车退役电池梯次利用方法，包括对新能源汽车退役动力电池包进行扫码录入、表面清洁、充放电余能检测、初步拆解得到电池模块以及退役动力电池外壳、金属零组件、外接导线（高压线束、低压线束）、铝片、塑料隔板等附属物，随后对电池模块分选分为合格电池模块和不合格电池模块，对于合格电池模块按照上述退役动力电池模块配置组合方法进行重组，并与外购成套组件组装成梯次利用电池包，用于小型储能设备。不合格电池模块通过专业放电器对电池包和电池进行物理放电，不涉及化学放电，放电电量达到额定电量的98%以上，随后拆解对电池单体进行检测，检测出的失效电池单体进行打粉回收处理，具体包括：
9.1 电解液分离：对失效的电池单体在挤压设备中进行挤压使其破裂，电解液流出并进入回收池，实现电解液的初步分离。
9.2 对分离电解液后的电池包的其余部分洗脱残余电解液后，通过分拣拆除电池外壳和薄膜材料。
9.3 对剩余的正负极材料进行湿法球磨粉碎得到浆料。
9.4 对球磨粉碎后的浆料进行烘干后进行磁选。
磁选步骤是打粉回收最重要的环节，正极材料包含有镍、钴等元素，负极则主要为石墨材料。在实际工程中发现，由于正负极材料中各组成物的强度不同，在球磨后形成的粉体材料粒径分散度比较大，对后续的磁选步骤造成了影响。进一步研究发现，相对来说，过细的粉末可能具有更大的表面能，因此难以被磁选机选出，造成回收效率降低，因而对较细粒径的粉末采用较大的磁选强度。但同时由于钴和镍与其他元素以混合物的形式存在，如果磁场强度过大，会导致选出的粉料杂质含量过高，会对后续再加工造成影响（正负极材料回收后很大一部分是调配元素后再加工为正负极，区别于传统选矿的熔炼或化学提炼为单质元素）。因而经过分析，采用如下的方式确定磁选的磁场强度：
式中，为磁选所用的磁场强度，单位为T；D为粉末粒径，单位为m；/>为第/>种磁选目标物在混合粉材中的质量分数；/>为第/>种磁选目标物的相对磁导率；/>为系数，取值范围为20~80；/>为粒径的修正指数，取值范围为0.2~0.4。
为进一步简化现场操作，对同一批次的正负极混合粉材，在目标物的含量和相对磁导率数据基本确定的情况下，可以在先球磨到一定细度的混合粉材以后，再进行振动筛分，得到不同粒径范围的粉体组，随后针对性的选择磁选的磁场强度，以使得选出的钴镍元素比例和附带的其他元素能达到设计值，利于后续的再加工。经过分析和不同情况的实际验证，采用如下的磁选强度：
（1）
（2）
（3）
对大于等于120μm的粉料送入球磨机进行重新球磨。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）指标选择：选择与退役动力电池模块相关的多个指标；
（2）对多个退役动力电池模块的每个指标进行测量，得到多个退役动力电池模块的指标值矩阵；
（3）针对每个指标，将多个退役动力电池模块的指标值进行分组，得到相似性不同的多个组；
（4）将每个指标的每个组的指标值，分别和其他指标的平均值进行组合，作为电池包并进行电池包使用过程仿真，并得到每个电池包的预测寿命；
（5）根据仿真数据，通过线性回归方法获得每个指标的相似性权重参数；
（6）根据指标相似性权重系数选择重点指标，并根据重点指标再次进行分组，将同组内的电池模块进行配置为新的电池包。
2.根据权利要求1所述的一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法，其特征在于，所述重点指标为电池模块的循环次数、容量和内阻。
3.根据权利要求1所述的一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法，其特征在于，所述电池模块先进行性能检测，检测合格的进入回收组合。
4.根据权利要求3所述的一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法，其特征在于，所述检测包括余能测试、电压测试、容量测试和内阻测试。
5.根据权利要求4所述的一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法，其特征在于，余能检测后，对达不到要求电量的进行充电、超过要求电量的进行放电，使之达到统一的电量要求。
6.根据权利要求5所述的一种基于指标相似性的退役电池模块组合方法，其特征在于，容量测试为在25℃条件下，对电池模块进行1个循环的充放电测试。
7.一种基于权利要求6所述方法的退役电池梯次利用方法，其特征在于，对退役动力电池包进行扫码录入、表面清洁、充放电余能检测后，初步拆解得到电池模块，随后对电池模块分选分为合格电池模块和不合格电池模块，对于合格电池模块按照权利要求6所述方法进行组合并与成套组件组装成用于储能设备的梯次利用电池包；对不合格电池模块进行物理放电形成失效电池单体，对失效电池单体进行打粉回收处理。
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