退役動力電池標(biāo)準(zhǔn)化模塊成組方案

張意林，褚曉銳，周光強(qiáng)，周玉蓮

西昌學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 涼山 615013

0 引言

受能源短缺、環(huán)境污染等問題的影響，以電動汽車為主的新能源汽車得到了世界性的關(guān)注。近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，退役了大批的動力電池，這些退役的動力電池仍能繼續(xù)使用，但是由于拆解重組技術(shù)等問題，將造成電池剩余價值的浪費(fèi)。因此，文章提出一種對動力電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模塊化成組的方案，通過對單電池電壓、電阻、容量等參數(shù)進(jìn)行測量，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化模塊化成組的動力電池。在動力電池退役時，將其拆解成標(biāo)準(zhǔn)化模組，然后通過測量評估篩選相近的模組進(jìn)行重組，以發(fā)揮退役動力電池的最大剩余價值。

1 動力電池標(biāo)準(zhǔn)化模塊化成組

（1）單電池電壓的測量。一個完整的動力電池由多個單電池組成，為了方便對后續(xù)退役動力電池的梯次利用，在組裝單電池的過程中通過電池電壓的測量，得到每一個單電池的電壓，再對電壓相同或者相差不大的單電池進(jìn)行成組[1]。單電池經(jīng)過傳送帶上的電壓測量模塊得到單電池電壓數(shù)據(jù)，再與單片機(jī)STC89C52相連進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后經(jīng)過USB數(shù)據(jù)線或者串口通信，將所收集的數(shù)據(jù)反饋到電腦上，數(shù)據(jù)處理終端收集數(shù)據(jù)后，對收據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，把相近或相同的單電池通過傳送帶分隔成組。采用LCT6802系統(tǒng)對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。首先對整個系統(tǒng)初始化，然后對電壓進(jìn)行讀取，讀取完成后把收集到的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行處理。

（2）單電池內(nèi)阻的測量。電池內(nèi)阻會受到外界的影響而變化，因此在對電池進(jìn)行梯次利用前，需把內(nèi)阻相近或相同的電池組裝成組。成組的電池內(nèi)阻基本一致，在電池消耗時，成組電池中的單電池內(nèi)阻增加是大致相同的，因此在梯次利用時，無須額外對每個成組電池進(jìn)行進(jìn)一步的內(nèi)阻測量來對電池進(jìn)行重新組合。目前，對于電池內(nèi)阻的測量方法主要是直流測試法和交流測試法。通過上述方法將得到的內(nèi)阻數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理終端篩選分隔。

（3）單電池容量的測量。對于電池容量的測量，先測出電池的放電電壓，設(shè)置放電時間為10 s，然后根據(jù)上面所測得的內(nèi)阻計算出放電電流，再將放電電流與時間相乘，得到電池容量，從而更好地分組，將相同時間、相同容量的電池分為一組，以減少后續(xù)對動力電池梯次利用時拆解重組所需的時間。

對于測放電電壓來說，電池在放電時，容量會減少，電壓也會減少，使得電壓無法維持穩(wěn)定，因此需要設(shè)置一個升壓電路，從而根據(jù)待檢測電池電壓與預(yù)設(shè)電壓的關(guān)系，控制電壓保持穩(wěn)定。因?yàn)樯龎弘娐返闹髌骷陂_斷過程中會產(chǎn)生一個電壓尖峰，使得輸出的電壓瞬間變大，導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確性，所以增設(shè)一個電壓吸收支路，以維持電壓穩(wěn)定，提高測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，然后把測得的數(shù)據(jù)傳遞給容量測量電路，根據(jù)所收集的電壓、阻值、時間計算出電池容量[2]。根據(jù)計算所得的電池電壓、電池內(nèi)阻和電池容量，對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行收集比對，完成自動分類，進(jìn)行重組。單電池容量測量及數(shù)據(jù)收集流程如圖1所示。

圖1 單電池容量測量及數(shù)據(jù)收集

由此，完成對電池電壓、內(nèi)阻、容量的測量，然后通過程序的控制篩選，將數(shù)據(jù)一樣或相差微小的電池結(jié)合組成動力電池，形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的組成形式。標(biāo)準(zhǔn)化模塊化成組整體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化模塊化成組整體設(shè)計方案

2 篩選退役電池進(jìn)行重組

2.1 退役電池剩余容量測量

在對退役電池進(jìn)行拆解重組的過程中，由于在組成過程中采用的是標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的方式，以及動力電池退役的標(biāo)準(zhǔn)相同，組成退役下來的動力電池消耗也大致相同，故只需測出退役的動力電池的剩余容量，再根據(jù)動力電池組成的標(biāo)準(zhǔn)化模塊化再測一遍，即可實(shí)現(xiàn)對退役電池的拆解在重組，而且目前已有標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的組成技術(shù)，顯著減少了電池拆解再重組的成本及時間。

電池剩余容量的測量與單電池容量的測量相似，不同的是在對電池進(jìn)行放電時是對動力電池組進(jìn)行放電，因此采用的是所有單電池電阻的和，故在放電時需采用大電流進(jìn)行放電。同時，在電池放電的過程中，退役動力電池的放電率會對其容量造成損傷，為了盡可能保護(hù)電池所剩容量的利用率，在采用放電法對動力電池所剩容量做出測量時，選擇合適的電流有助于延長電池的使用時間，也有助于更精準(zhǔn)的計算動力電池所剩容量。恒流源放電框圖如圖3所示。

圖3 恒流源放電框圖

在得到動力電池容量后，可以將容量相同或者相差微小的放在一起，因?yàn)殡姵爻山M時采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化，所以可以保證所有電池性能相同或基本相同，再利用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的成組工序，對動力電池進(jìn)行拆解重新組合。退役動力電池篩選重組框圖如圖4所示。

圖4 退役動力電池篩選重組框圖

2.2 動力電池剩余使用壽命預(yù)測

除了對測量電池的剩余容量進(jìn)行分類，然后拆解重組，還要對電池的剩余壽命進(jìn)行評估，保證動力電池再次利用的安全性，降低電池再利用過程中的風(fēng)險。目前，暫時沒有一個直接具體的測量裝置能對電池剩余壽命進(jìn)行測量，大多數(shù)研究學(xué)者都是采用基于模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測的方法。寧青菊等[3]通過研究基于循環(huán)充放電的電壓曲線，采用GWO灰狼優(yōu)算法LSTM超參數(shù)尋優(yōu)，構(gòu)建鋰離子壽命模型預(yù)測，但該方法需要大量對電池進(jìn)行充放電的數(shù)據(jù)，將顯著縮短動力電池的使用壽命，并且該方法在實(shí)際中不會有完整的充放電數(shù)據(jù)，因此該方法不可取。

3 結(jié)束語

文章通過對單電池的電壓、內(nèi)阻、容量進(jìn)行測量，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析然后分類，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化模塊成組方案。在不同應(yīng)用場合，不同電壓等級和不同容量的電池均可以通過這種標(biāo)準(zhǔn)化的模組得到。同時，在退役動力電池的梯次利用時，可以把動力電池拆解成標(biāo)準(zhǔn)化模組，然后重新評估將性能相同或者相近的模塊重新組合成組，以減少電池拆解、重組過程中的所需的成本和時間，提高電池的利用效率。