一种退役动力电池一致性评估和分选重组装置
阅读说明：本技术 一种退役动力电池一致性评估和分选重组装置 (Retired power battery consistency assessment and sorting recombination device ) 是由 苏建徽 蔡杨杨 赖纪东 解宝 张健 施永 于 2021-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种退役动力电池一致性评估和分选重组装置,包括可调压双向DC/AC变流器、N个充放电单元和上位机；各充放电单元通过直流母线与通信总线互联,并通过通信总线与上位机相连；该装置通过对双向DC/DC变换器配对互补同步控制,实现能量互相流动平衡；基于多维EIS数据组、温度、开路电压等参数建立电池多维多时间尺度SOC和SOH数学模型,采用神经网络确定动力电池的一致性状态、SOC和SOH参数；根据一致性对退役电池进行分选重组,再以能量损失最小和时间最短为目标函数确定各分组退役电池的均衡电压值,进而对各分组退役电池进行均衡优化的充放电控制,提高配组质量和整体性。本发明实现快速、高效、精准、灵活的退役动力电池一致性评估和分选重组。(The invention discloses a retired power battery consistency assessment and sorting recombination device, which comprises a voltage-adjustable bidirectional DC/AC converter, N charging and discharging units and an upper computer; each charging and discharging unit is interconnected with a communication bus through a direct current bus and is connected with an upper computer through the communication bus; the device realizes mutual flow balance of energy by pairing, complementing and synchronously controlling the bidirectional DC/DC converter; establishing a multidimensional multi-time scale SOC and SOH mathematical model of the battery based on parameters such as a multidimensional EIS data set, temperature, open-circuit voltage and the like, and determining the consistency state, SOC and SOH parameters of the power battery by adopting a neural network; sorting and recombining the retired batteries according to consistency, determining the balanced voltage value of each group of retired batteries by taking the minimum energy loss and the shortest time as objective functions, and further performing balanced and optimized charge and discharge control on each group of retired batteries to improve the group matching quality and integrity. The invention realizes rapid, efficient, accurate and flexible consistency evaluation, sorting and recombination of the retired power battery.)
技术领域
本发明属于退役电池梯次利用
技术领域
，涉及一种检测装置，具体目标是实现对退役动力电池一致性评估和分选重组。背景技术
近年来，随着低碳节能经济持续推进和“双碳”目标的提出，新能源电动汽车行业发展迅猛，电动汽车退役动力电池的保有量将随之急剧增加，为确保汽车的安全性以及使用性能，一般电动汽车厂商要求当动力电池的容量衰减至70％～80％时须退役并替换。由于退役动力电池仍有一定剩余容量，可通过梯次利用来实现电池价值利用最大化。退役动力电池的梯次利用，将带来规模化的经济效应和环境效益，相关梯次利用产业将具有广阔的市场前景，属于未来的朝阳产业。
预计2021年至2030年全球乘用电动汽车退役动力电池将达到1285万吨，电量将达到1.3TWh，我国退役动力电池电量将达到708GWh。由于电动汽车使用环境的不同，且电池本身又是一个复杂的电化学系统，易受各种内在和外界因素影响，导致单体电池老化程度存在差异，这给退役动力电池剩余容量及寿命预测带来困难。退役动力电池梯次利用最为关键的问题就是一致性评估和寿命预测，只有正确判断退役电芯或模组的健康状态和相互间的一致性，才能进行相匹配的重组和梯次利用。
针对退役动力电池，其处理方式取决于电池的性能，其中电池容量与内阻是两个基本特征。在退役动力电池容量保持率高，内阻上升较小的情况下，可进行梯次利用，而在容量衰减显著，内阻明显增加的情况下则应进行拆解及材料回收。传统的退役动力电池检测主要是容量和内阻检测，其容量测试时间长，内阻变量参数单一，且对退役动力电池的一致性和健康状态评估耗时长、精确性差。另外，现有的退役动力电池测试评估装置大多单机运行，专用检测设备价格昂贵，测试周期长，成本高，严重制约退役动力电池的回收利用产业发展。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种退役动力电池一致性评估和分选重组装置，以期通过测试获取多维EIS数据组、温度、开路电压等参数，建立多维多时间尺度的SOC和SOH的等效数学模型，采用神经网络，确定动力电池的一致性状态、SOC参数和SOH参数。根据一致性评估结果进行分选重组，再以能量损失最小和时间最短为目标函数确定各分组退役电池的均衡电压值，从而对各分组退役电池进行均衡优化的充放电控制，以提高电池配组质量和整体性，从而解决现有技术中装置效率低、测试周期长、精确性差及设备成本高的问题。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种退役动力电池的一致性评估和分选重组装置的特点包括：一个可调压双向DC/AC变流器、N个充放电单元以及上位机；
任意第n个充放电单元包括：第n个主电路、第n个控制器、第n个采样单元、第n组退役电池；
所述第n个主电路中包括：2×m个双向DC/DC变换器；
所述第n组退役电池包括：2×m个退役动力电池；
所述可调压双向DC/AC变流器的输入侧与所述电网相连，所述双向DC/AC变流器的输出侧通过直流母线与所述N个充放电单元级联；所述N个充放电单元通过通信总线与所述上位机相连；
所述2×m个双向DC/DC变换器的一端通过直流母线互联，另一端通过自身输出滤波单元分别与2×m个退役电池连接，同时所述2×m个双向DC/DC变换器与第n个控制器相连；
所述第n个采样单元通过自身电压传感器、电流传感器和温度传感器与2×m个退役电池连接，其中含多个电压传感器，也可以同时与串联的各单体电池进行连接；
当该装置运行在电池组-电池组充放电测试模式、单体电池-单体电池充放电测试模式、单体电池-单体电池同时EIS测试模式或电池组-电池组同时EIS测试模式下时，所述上位机通过所述通信总线同步发送配对互补激励电流信号I*和-I*给所述第n个控制器，由第n个控制器获取第i个、第i+1个双向DC/DC变换器的电感电流信号为IL_i、IL_i+1并利用自身的电流调节器计算得到PWM_i波和PWM_i+1波，从而实现对第i个、第i+1个双向DC/DC变换器的配对互补同步控制，进而完成第i个、第i+1个退役电池充放电测试或者EIS测试控制；i＝1,3,5,…,2m-1；
所述装置可以全部采用直流电封闭控制模式，省去双向DC/AC变流器。所述第n个控制器获取所述直流母线电压Ubus与设定值Ubusref进行比较，再通过自身的电压调节器计算得到第i个双向DC/DC变换器的补偿电流I_i，然后将补偿电流I_i与所述激励信号-I*进行累加后，再与所获取的电感电流信号IL_i进行比较，所得的比较结果再通过自身的电流调节器计算得到PWM_i波，同时，将所获取的电感电流信号IL_i+1与激励信号I*进行比较后，再通过自身的电流调节器计算得到PWM_i+1波，从而利用所述PWM_i波和PWM_i+1波实现对第i个、第i+1个双向DC/DC变换器的配对互补同步控制，进而完成第i个、第i+1个退役电池充放电测试或者EIS测试控制；
所述第n个采样单元对2×m个退役动力电池的端电压或其中各单体电池电压Ubat、电流Ibat、温度T进行采样，并上传至所述上位机；
所述上位机对所接收到的数据进行分组EIS计算，得到EIS多维数据组。所述上位机再根据所述多维EIS数据组结合温度T、开路电压Uoc建立电池多维多时间尺度SOC和SOH的数学模型，并采用神经网络对所述数学模型进行纵横向对比分析，确定退役动力电池的一致性状态、SOC参数和SOH参数；
所述上位机根据所述一致性状态对N组退役电池进行分选重组，再以能量损失最小和时间最短为目标函数确定各分组退役电池的均衡电压值，从而对各分组退役电池进行均衡优化的充放电控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种退役动力电池一致性评估和分选重组装置实现了快速、精准、高效、灵活的进行退役动力电池一致性评估和分选重组。
本发明装置各充放电单元通过直流母线级联，可扩充至N个单元，按需柔性组合形成系统。当装置全部采用直流电封闭控制模式，还可以舍去其中双向DC/AC变流器。解决现有技术中装置效率低、成本高的问题，同时也提高了测试装置的灵活性。
3、本发明利用EIS测试获得多维EIS数据组，结合温度T、开路电压Uoc等参数建立等效数学模型，并采用神经网络确定退役动力电池的一致性状态、SOC参数和SOH参数。克服了传统容量测试时间长、传统内阻测试变量参数单一的问题，实现了退役动力电池的一致性和健康状态评估耗时短、精确性高。
4、本发明提供了一种双向扰动的控制方案，通过施加配对互补的激励信号，完成对双向DC/DC变换器配对互补同步控制，实现了在线检测的同时同组退役电池能量互相流动平衡，整个装置中直流-交流功率交换小，能量利用率高；直流母线电压也保持在一定范围，避免了激励信号对电网的干扰，提高了装置的整体效率，减小能量损耗。
5、本发明中提供了两种控制策略，其中一种直流母线电压可大范围调整以适应不同电压等级的电池组测试，可以进行单体电池成组测试和电池包的成组测试，同时也减小了双向DC/AC变流器的功率需求，该装置的适用范围更广，对提升退役动力电池的测试评估和梯次利用具有重要意义和利用价值。
附图说明
图1是本发明系统示意图；
图2是各单元内部示意图；
图3是一种主电路应用示意图；
图4是测试模式下其中一种控制框图；
图5是测试模式下其中另一种控制框图。
具体实施方式
本实施例中，一种退役动力电池的一致性评估和分选重组装置，包括：一个可调压双向DC/AC变流器、N个充放电单元以及上位机，如图1所示；
任意第n个充放电单元包括：第n个主电路、第n个控制器、第n个采样单元、第n组退役电池，如图2所示；
第n个主电路中包括：2×m个双向DC/DC变换器，多组各DC/DC变换器之间配对互补同步控制输出电流，减小了与电网之间的能量交换和并网功率。其中，双向DC/DC变换器为半桥buck-boost拓扑(也可为其它拓扑)，可灵活控制单个退役电池充放电过程，如图3所示；
第n组退役电池包括：2×m个退役动力电池，每个退役动力电池可为电池组或单体电池；
可调压双向DC/AC变流器的直流电压调节范围满足激励电流带宽和幅值控制要求，其输入侧与电网相连，输出侧与N个充放电单元通过直流母线级联。在退役动力电池组充放电不平衡时，可以通过双向DC/AC变流器控制电网能量交换实现稳压控制。N个充放电单元级联同步测试时，可一个单元配有一个双向DC/AC变流器，也可所有级联单元共享一个双向DC/AC变流器，减少装置成本。N个充放电单元互联含直流母线和通讯总线，各单元内部控制单元和采样单元通信合并连接至通信总线，通过通信总线与上位机相连；直流母线互联实现能量互相流动平衡，通讯总线互联实现数据交换和同步控制，方便系统的扩容和分布式电池组测试和管理。
2×m个双向DC/DC变换器的一端通过直流母线互联，另一端通过自身输出滤波单元分别与2×m个退役电池连接，其中，输出滤波单元可以为L、LC或LCL型拓扑；同时2×m个双向DC/DC变换器与第n个控制器相连。其中，2×m个双向DC/DC变换器的控制必须配对互补同步控制。既可各充放电单元控制器独立，亦可采用N个单元共享一个控制器，控制策略的原则是保证直流母线单元间交换总功率的基本平衡。
该装置可以实现各种运行模式，其中包括：单体电池-单体电池同时EIS测试模式、电池组-电池组同时EIS测试模式、电池组-电池组充放电测试模式、单体电池-单体电池充放电测试模式、单电池组EIS测试模式、单体电池EIS测试模式、单电池组-电网充放电测试模式等。多组退役动力电池的EIS测试和充放电测试协调进行，由于共享DC/AC直流母线，能量内循环，母线电压稳定，对电网容量需求小、干扰小，装置体积小、成本低、运行效率高。
当该测试装置运行在电池组-电池组充放电测试模式、单体电池-单体电池充放电测试模式，即多组各DC/DC变换器之间配对互补同步控制输出电流，同组电池充放电同时进行，可测得各退役电池容量、开路电压等参数，同时减小与电网之间的能量交换和并网功率，母线电压稳定在一定范围，实现能量互补，减少损耗，也降低扰动信号对电网干扰。
当该测试装置运行在单体电池-单体电池同时EIS测试模式或电池组-电池组同时EIS测试模式时，考虑电池组EIS(电化学阻抗谱)的非线性，通过上位机对同组退役动力电池分时同步施加不同频率、不同幅值的特定互补激励电流信号，以获取不同频率、不同幅值激励信号条件下的EIS多维数据组。该测试装置EIS测试的同时仍能够保证能量在同组退役动力电池间流动，实现在线检测的同时保证母线电压稳定。
当该装置运行在电池组-电池组充放电测试模式、单体电池-单体电池充放电测试模式、单体电池-单体电池同时EIS测试模式或电池组-电池组同时EIS测试模式下时，主电路如图3所示和其控制框图如图4所示。上位机通过所述通信总线同步发送配对互补的激励信号I*和-I*给第n个控制器，该激励信号可为直流、交流或交直流混合信号等，其中，交流信号可为不同频率和幅值的正弦波、三角波、伪随机二进制序列中的MLBS、DIBS等信号，由第n个控制器获取第i个、第i+1个双向DC/DC变换器的电感电流信号为IL_i、IL_i+1并利用自身的电流调节器计算得到PWM_i波和PWM_i+1波，从而实现对第i个、第i+1个双向DC/DC变换器的配对互补同步控制，进而完成第i个、第i+1个退役电池的充放电测试或者EIS测试；i＝1,3,5，…,2m-1；
当该装置全部采用直流电封闭控制模式，省去双向DC/AC变流器，由于系统含多组被测电池，在剩余电量满足功率测量需要时，可以相互交换分时测试，其中部分双向DC/DC测试控制策略中含稳定母线电压控制环节，主电路如图3所示和其控制框图如图5所示。由第n个控制器获取直流母线电压Ubus与设定值Ubusref进行比较，再通过自身的电压调节器计算得到第i个双向DC/DC变换器的补偿电流I_i，然后将补偿电流I_i与激励信号-I*进行累加后，再与所获取的电感电流信号IL_i进行比较，所得的比较结果再通过自身的电流调节器计算得到PWM_i波，补偿电流I_i可以补偿配对电池控制功率的平衡，稳定直流母线电压。同时，将所获取的电感电流信号IL_i+1与激励信号I*进行比较后，再通过自身的电流调节器计算得到PWM_i+1波，从而利用PWM_i波和PWM_i+1波实现对第i个、第i+1个双向DC/DC变换器的互补同步控制，进而完成第i个、第i+1个退役电池的充放电测试或者EIS测试控制，并保持直流母线电压稳定。
该测试装置由于可以采用直流电能封闭控制方法，直流-交流功率交换很小，效率高。直流母线电压可大范围调整以适应不同电压等级的电池组测试，可以进行单体电池成组测试和电池包的成组测试，同时也减小了双向DC/AC变流器的功率需求，提高装置整体效率，电路损耗小。
第n个采样单元通过自身高精度宽带电压传感器、电流传感器和温度传感器与2×m个退役电池连接，其中含多个电压传感器，也可以同时与串联的各单体电池进行连接采样，从而可以获得电池模组内部各单体电池的参数。采集单元对2×m个退役动力电池的端电压或其中各单体电池电压Ubat、电流Ibat、温度T等等信号进行采集，并上传至上位机进行数据分析和判断，也可在采样单元中进行数据分析处理后再上传至上位机进行识别判断。
上位机或采样单元对所接收到的数据进行分组EIS计算，得到EIS多维数据组。再根据多维EIS数据组结合温度T、开路电压Uoc建立电池多维多时间尺度SOC和SOH的数学模型，并采用神经网络对数学模型进行纵横向对比分析，确定退役动力电池的一致性状态、SOC参数和SOH参数；
上位机根据一致性状态对N组退役电池进行分选重组，再以能量损失最小和时间最短为目标函数确定各分组退役电池的均衡电压值，从而对各分组退役电池进行均衡优化的充放电控制。被测电池组的电压均衡不仅考虑与当前同组电池的一致性电压均衡值，也考虑与历史测试的电池组一致性相匹配的电压均衡值，提高电池配组质量和整体性。
该装置用于检测退役动力电池相关参数，据此评估健康状态及一致性，重新进行分选配组。
具体实施中，一种退役动力电池的一致性评估和分选重组方法是按以下步骤进行：
步骤1：由上位机对同组退役动力电池同步施加特定互补激励电流信号I*和-I*，在不同测试模式下该激励信号可为直流、交流或交直流混合信号等，其中，交流信号可为不同频率和幅值的正弦波、三角波、伪随机二进制序列中的MLBS、DIBS等信号，通过控制器完成各信号的发生和控制。
步骤2：控制器控制同组退役电池Bat_i的双向DC/DC变换器的电感电流IL_i跟踪激励信号I*，控制同组退役电池Bat_i+1的双向DC/DC变换器的电感电流IL_i+1跟踪激励信号-I*，实现对第i个、第i+1个双向DC/DC变换器的配对互补同步控制，完成同组退役电池充放电测试或者EIS测试。i＝1,3,5，…,2m-1；当该装置全部采用直流电封闭控制模式，省去双向DC/AC变流器，控制器还可通过直流母线电压给定参考值Ubusref与直流母线电压Ubus比较通过电压调节器输出得到补偿电流I_i，控制同组退役电池Bat_i的双向DC/DC变换器的电感电流IL_i与补偿电流I_i之和跟踪激励信号-I*，同组退役电池Bat_i+1的双向DC/DC变换器的电感电流IL_i+1跟踪I*，完成同组退役电池充放电测试或者EIS测试。
步骤3：采样单元通过高精度宽带电压、电流传感器、温度传感器进行采样得到各退役电池端电压或其中各单体电池电压Ubat、电流Ibat、温度Tbat等等，数据采集单元完成高精度的激励信号采集后，上传至上位机进行数据分析处理和判断。
步骤4：上述步骤3中的数据处理指的是对获得的数据进行分组EIS计算，在不同电压和不同电流条件下，由于电池组电化学特征的非线性，可获取EIS多维数据组。
步骤5：基于多维EIS数据组，结合温度T、开路电压Uoc建立电池多维多时间尺度SOC和SOH数学模型，采用神经网络对数学模型进行纵横向对比分析，确定动力电池的一致性状态、SOC参数和SOH参数。
步骤6：在系统一致性评估测试完成后，对被测电池组或单体电池进行分选重组及电池电压均衡控制，以能量损失最小和时间最短为目标函数确定电池组均衡电压值，对各分组退役电池进行均衡优化的充放电控制。被测电池组的电压均衡不仅考虑与当前同组电池的一致性电压均衡值，也考虑与历史测试的电池组一致性相匹配的电压均衡值，提高电池配组质量和整体性。以上便完成了退役动力电池一致性评估和分选重组。
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