一種汽車電池檢測(cè)及回收系統(tǒng)

劉磊

（武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 研究背景

中國(guó)國(guó)務(wù)院常委會(huì)在2020 年10 月的會(huì)議上通過了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》，對(duì)未來新能源汽車的發(fā)展進(jìn)行了政府調(diào)控[1]。如圖1所示，近年來新能源汽車的銷量直線增長(zhǎng)。到2020 年，新能源汽車的年銷量達(dá)200 萬輛[2]，到2021 年1 月，全國(guó)的新能源汽車保優(yōu)量已經(jīng)達(dá)到492 萬輛，新能源汽車的年銷量在200 萬輛以上。2021-03-15，黨中央在召開的中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議中強(qiáng)調(diào)，要在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。由此可見，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了中國(guó)國(guó)家級(jí)發(fā)展戰(zhàn)略，新能源汽車是國(guó)家的汽車行業(yè)發(fā)展趨向。

圖1 2012—2020 年中國(guó)新能源汽車銷量趨勢(shì)（單位：萬輛）

新能源汽車的動(dòng)力主要為電池，而電池中含有眾多貴金屬，還包含氟化物、塑料隔膜等物質(zhì)，這種物質(zhì)在不加處理的情況下放置于環(huán)境中，不僅對(duì)環(huán)境造成極大危害，還對(duì)人體造成生理損傷。

隨著新能源汽車數(shù)量的逐漸增加，廢舊動(dòng)力電池的數(shù)量也逐漸增加。中國(guó)動(dòng)力回收與梯次利用數(shù)據(jù)顯示，到2020 年，中國(guó)累計(jì)退役的動(dòng)力電池在23 GWh以上，預(yù)計(jì)到2025 年，累計(jì)退役電池將達(dá)到125 GWh，并且以三元鋰電池為主。由于國(guó)內(nèi)缺少相關(guān)的回收體系，動(dòng)力電池的回收工作不夠到位[4]。

因此設(shè)計(jì)一種合理的汽車回收系統(tǒng)對(duì)于電池的再利用以及環(huán)境的保護(hù)，具有重要意義。

2 動(dòng)力電池的梯次回收

2.1 動(dòng)力電池的循環(huán)利用

退役動(dòng)力電池的循環(huán)利用過程如圖2 所示，電動(dòng)汽車將經(jīng)過廢舊拆解、打碎、分離等一系列工藝，從動(dòng)力電池分離出鎳、錳等貴金屬，使之作為原材料制作動(dòng)力電池中的電芯、電池組以及電力系統(tǒng)，從而達(dá)到動(dòng)力電池中資源的循環(huán)利用。

圖2 動(dòng)力電池的循環(huán)利用過程

2.2 動(dòng)力電池回收模式

目前，由于動(dòng)力電池的回收再利用成本過高，回收企業(yè)數(shù)量不足，導(dǎo)致電池再生市場(chǎng)積極性較低，因此本文設(shè)計(jì)了一種新型梯次循環(huán)回收模式并搭建線上平臺(tái)。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 梯次回收模式

用戶可以通過平臺(tái)來填寫廢舊電池的狀況，系統(tǒng)根據(jù)用戶提交的材料對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)，確定電池回收方向，并由技術(shù)人員進(jìn)行電池的性能測(cè)試。得到電池的具體情況后進(jìn)行報(bào)價(jià)并實(shí)現(xiàn)電池回收。

3 回收平臺(tái)設(shè)計(jì)

“池鳴天下”是一個(gè)集新能源車廢舊電池回收、動(dòng)力電池銷售、汽車換電站智能匹配、電池維修問題收集、充電站地圖顯示、BMS 電池管理系統(tǒng)等多項(xiàng)功能為一體的有關(guān)新能源車電池的線上平臺(tái)，服務(wù)新能源車車主，使得新能源車電池問題處理更便捷、智能、高效。本平臺(tái)專門針對(duì)新能源車電池開辟服務(wù)通道，主要開展新能源車廢舊電池回收業(yè)務(wù)，以此為中心，開發(fā)周邊產(chǎn)品，期望給車主以“電池有問題，找池鳴天下”的想法。該平臺(tái)涵蓋了以電池回收為主，相關(guān)電池售后為輔多項(xiàng)服務(wù)內(nèi)容。

池鳴天下線上平臺(tái)主要由5 大模塊構(gòu)成，分別是首頁、動(dòng)力電池銷售頁面、充電樁地圖顯示頁面、購(gòu)物車頁面顯示頁面、用戶個(gè)人顯示頁面。在首頁中通過輪播圖播放活動(dòng)圖片效果，并在其下方放置最常用的功能分類便于顧客點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)功能，在最下方設(shè)計(jì)有公司的發(fā)展理念與項(xiàng)目主旨；在動(dòng)力電池銷售界面，用戶可以進(jìn)行點(diǎn)擊，查看每一類電池以及相應(yīng)參數(shù)并決定是否將其加入購(gòu)物車；在充電站地圖展示界面，用戶可以快速了解到離自己最近的充電站并可以查看其詳細(xì)信息；在購(gòu)物車界面，用戶可以點(diǎn)擊添加收獲地址并進(jìn)行訂單交易確定，用戶個(gè)人顯示頁面主要包括個(gè)人賬號(hào)管理及登錄、購(gòu)買歷史、瀏覽歷史、意見反饋，加入我們，關(guān)于我們及設(shè)置等功能。小程序整體流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

整個(gè)平臺(tái)框架系統(tǒng)分為邏輯層和視圖層2 部分。WXML 和WXSS 是視圖層描述語言，邏輯層框架是基于JavaScript，數(shù)據(jù)傳輸和事件系統(tǒng)通過邏輯層和視圖層提供。本設(shè)計(jì)的核心是一種數(shù)據(jù)的綁定系統(tǒng)，其作用是同步化數(shù)據(jù)和視圖。

3.1 首頁展示

首頁展示頁面要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔美觀，通過index.wxml文件實(shí)現(xiàn)頁面內(nèi)容，頁面頂部采用輪播圖來實(shí)現(xiàn)左右滾動(dòng)的效果，頁面中部顯示熱門功能分類，頁面下部顯示項(xiàng)目主旨與設(shè)計(jì)理念。其實(shí)現(xiàn)效果如圖5 所示。

圖5 首頁效果圖

3.2 商品購(gòu)買頁面

在商品購(gòu)買區(qū)的左側(cè)顯示本頁面主要商品，每個(gè)商品里面儲(chǔ)存有其商品詳細(xì)信息，通過scroll-view 組件來進(jìn)行滾動(dòng)視圖展示。在scroll-view 中通過wx:for語句循環(huán)顯示數(shù)據(jù)集里的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示。

圖6 分類展示界面

4 電池檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

4.1 電池狀態(tài)評(píng)估

動(dòng)力電池狀態(tài)估計(jì)主要分為3 種，即荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOP）和功能狀態(tài)（SOH）估計(jì)，以此作為電池狀態(tài)的重要依據(jù)[5]。電壓、電流及溫度決定動(dòng)力電池的SOC，電池?fù)p耗程度和性能程度決定了SOH，SOP 由SOC、SOH 以及動(dòng)力電池的運(yùn)行情況決定。

4.1.1 SOC 估計(jì)

當(dāng)前，動(dòng)力電池的SOC 不能直接得到，要通過估計(jì)方法獲取結(jié)果。至今已經(jīng)有許許多多的學(xué)者為SOC的估計(jì)方法付出巨大努力，所以也出現(xiàn)了許多種的估計(jì)算方法。安時(shí)積分法作為最經(jīng)典的SOC 估計(jì)方法，在工業(yè)、商業(yè)中廣泛應(yīng)用[6]。安時(shí)積分法只和電池充放電中電流大小有關(guān)，安時(shí)積分法的計(jì)算公式為：

將式（1）離散化可得：

式（1）（2）中：t0為計(jì)時(shí)起始時(shí)間；It為動(dòng)力電池輸出電流的大?。籆bat為動(dòng)力電池的額定容量；ΔT為采樣時(shí)間。

而由于安時(shí)積分法估計(jì)誤差較大，因此本設(shè)計(jì)聯(lián)合卡爾曼濾波法理論，即通過動(dòng)力電池構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型和觀測(cè)模型，本文采用最小均方的方程設(shè)計(jì)，通過將觀測(cè)值大小于估計(jì)值大小的均方進(jìn)行誤差最小化，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)SOC 估計(jì)。SOC 估計(jì)流程如圖7 所示。

圖7 SOC 估計(jì)流程

4.1.2 SOP 估計(jì)

SOP 作為動(dòng)力電池的功率狀態(tài)，是指在預(yù)定的時(shí)間間隔里，動(dòng)力電池能夠釋放或吸收的最大功率。本設(shè)計(jì)對(duì)SOP 進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)用復(fù)合脈沖法估計(jì)鋰離子電池狀態(tài)，利用SOC 下的開路電壓及內(nèi)阻來估計(jì)SOP的瞬時(shí)值。

SOP 估計(jì)一般是利用混合脈沖功率性HPPC 測(cè)試的方法，即通過給動(dòng)力電池施加一恒定的電流脈沖[7]，計(jì)算出電池在某一區(qū)間的峰值電流，從而得出其峰值功率，本文所設(shè)計(jì)的SOP 估計(jì)中，選取10 s 為一區(qū)間。HPPC 功率測(cè)試方法如圖8 所示。

圖8 HPPC 功率測(cè)試方法

通過脈沖放電的電壓變化，推導(dǎo)出電池的放電電阻，即：

而根據(jù)HPPC 測(cè)試的功率計(jì)算，計(jì)算出動(dòng)力電池的放電功率，即：

式（4）中：Vmin是被測(cè)動(dòng)力電池的下限電壓；是放電脈沖開始之前動(dòng)力電池的開路電壓。

4.1.3 SOH 估計(jì)

在動(dòng)力電池的SOH 評(píng)估中，一般只將電池的容量作為評(píng)價(jià)的指標(biāo)，定義如下：

式（5）中：Cnow表示電池當(dāng)前最大可用容量；Crate表示額定容量。

本設(shè)計(jì)中主要利用鋰電池的充放電測(cè)試儀來對(duì)電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，從而直接獲取電池的可用容量。本設(shè)計(jì)采用恒流-恒壓充電法（CC-CV）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試流程如圖9 所示。

圖9 SOH 檢測(cè)流程

4.2 電池壽命預(yù)測(cè)

根據(jù)動(dòng)力電池的充放電數(shù)據(jù)，可以分析計(jì)算出電池的容量、放電深度、開路電壓、工作電壓、內(nèi)阻等主要參數(shù)。為了獲取并預(yù)測(cè)電池健康情況，本文對(duì)充放電曲線進(jìn)行微積分處理、繪制曲線變化圖等進(jìn)行分析，并進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，從而對(duì)動(dòng)力電池的健康狀態(tài)和壽命進(jìn)行參數(shù)預(yù)測(cè)。

通過對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行SOC 空間劃分，分割出5 個(gè)SOC 子空間，對(duì)充電電流倍率和截至電壓進(jìn)行測(cè)試，通過反映LLI（活性鋰的損失）的電池健康特征參數(shù)衰減量在子區(qū)間的循環(huán)可疊加性，從而計(jì)算出在電池使用壽命的測(cè)試區(qū)間循環(huán)狀態(tài)下，動(dòng)力電池的健康參數(shù)衰減量。代入容量回歸方程后，可以估算出動(dòng)力電池在循環(huán)一定次數(shù)后電池容量的衰退量，從而推導(dǎo)出電池的壽命，實(shí)驗(yàn)證明，誤差小于3%。循環(huán)測(cè)試下的容量衰退曲線如圖10 所示。

圖10 電池的容量衰退曲線

5 結(jié)論

本文以新能源汽車的動(dòng)力電池作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種電池檢測(cè)及回收系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了電池回收的梯度回收模式，并開發(fā)設(shè)計(jì)了基于安卓系統(tǒng)的線上回收平臺(tái)，本文還對(duì)電池的檢測(cè)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，通過SOC、SOP、SOH 檢測(cè)對(duì)電池的性能進(jìn)行測(cè)試及實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。具體研究及成果如下。

提出了一種梯度回收模式，并搭建線上平臺(tái)，使得車主可以對(duì)汽車動(dòng)力電池進(jìn)行檢測(cè)并得到電池性能參數(shù)，若電池存在問題可以進(jìn)行回收處理?；厥諘r(shí)可以將電池拆解分離，并反饋給廠商進(jìn)行二次利用。使得車主、廠商回收時(shí)更為方便，提高了電池回收的效率。

對(duì)動(dòng)力電池的檢測(cè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用安時(shí)估計(jì)法并聯(lián)合卡爾曼濾波法理論來推導(dǎo)計(jì)算動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，利用HPPC 的測(cè)試方法對(duì)電池進(jìn)行SOP 估計(jì)，利用充放電測(cè)試儀對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行SOH 估計(jì)。將測(cè)量的參數(shù)代入建立數(shù)學(xué)回歸模型，對(duì)電池的健康狀態(tài)及壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)證明誤差小于3%。