一种基于并联分流特性的动力电池快速分选法

1.本发明属于电气工程领域，具体为一种基于并联分流特性的动力电池快速分选法。


背景技术：

2.锂离子动力电池由于卓越的功率密度、长循环寿命等性能优势，目前已成为新能源汽车能量供给主流方案。对于退役电池的电芯分选评估，目前传统分选主要从参数差异的角度入手，削减电芯间的不一致性程度，然而这种方法具有时间及计算成本较高和适用场景有限等问题。最终实现模组容量利用效率的提升是电池分选方法有效性的关键指标，基于效率提升为核心的电池动态建模和分选机制鲜见研究。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种计算成本低，灵活性高的电池快速分选法，对电芯的并联成组和退役电池的梯次利用提供了技术和机理上的支撑，包括基于电芯单循环放电曲线的特征识别和基于优化改进的c.m电池模型的动态建模。具体步骤如下：
4.本发明提出的一种基于并联分流特性的动力电池快速分选法，所述分选法包括c.m模型建立和分选过程，c.m模型建立包括基于电芯单循环放电曲线的特征识别和基于优化改进的c.m电池模型的动态建模，分选过程通过判断电池是否在正常工作范围内，实现快速分选；具体步骤如下：
5.(1)c.m模型建立
6.(1.1)基于电芯单循环放电曲线的特征识别
7.首先，获取电池电芯放电过程中的单循环放电曲线，放电过程中，电池电芯的端电压v通过以下方程式给出：
[0008][0009]
其中：v为电池端电压，e0为空载时电压，k为极化常数(v/ah)，q为电池的额定容量，r为电池的固定内阻，i为支路电流，it为电池放电容量部分，i
*
为滤波电流，为极化电压，为极化电阻，aexp(-b
·
it)为电池放电初期的电压压降；
[0010]
其次，采用滤波和降噪方法平滑单循环放电曲线，计算数据标准差，取得放电电压曲线变化较平稳部分的范围：
[0011][0012]
其中：t为电芯放电曲线采样时间，u
it
是第i个电芯的端电压，为电芯放电期间
电压平均值；f
rms
为数据标准差；
[0013]
(1.2)基于优化改进的c.m电池模型的动态建模
[0014]
将步骤(1.2)得到的平稳部分的范围的数据，取其两端的数据点(q
exp
,v
exp
)、(q
nom
,v
nom
)，将单循环放电曲线进行求导处理，求得放电曲线的斜率，得到原始放电曲线起始点，获得第三个特征点(0,v
full
)；
[0015]
通过识别单循环放电曲线的两端的数据点和第三个特征点，根据这三个特征值点，完成电池电芯的动态建模：
[0016][0017]
其中：v为电池端电压，v
exp
为指数区电压，v
nom
为截止电压，e0为空载时电压，k为极化常数(v/ah)，q为电池的额定容量，q
exp
为指数区的放电容量值，q
nom
为电池的额定容量值，r为电池的固定内阻，i为支路电流；i为支路电流，v
full
为初始电压，a为指数区电压振幅；b为指数区时间常数的倒数；
[0018]
(2)分选过程，利用c.m模型计算两个电池电芯间的理想工作点，判断电池是否在正常工作范围内，实现快速分选；
[0019]
选择具有参数差异的多个电池电芯分别并联成组，针对待分选电池电芯进行不同组合，确定成组类型；
[0020]
利用步骤(1)公式(3)的c.m模型计算两个电池电芯间的理想工作点，定义能够使得起始点电流按照容量之比分配所对应的负载电流，即为理想工作点：
[0021][0022]
其中：ii是第i个电芯的支路电流，i
l
是总支路电流，ri是第i个电芯的直流电阻，ci是第i个电芯的额定容量，u
0i
是第i个电芯的初始电压；
[0023]
根据计算得到的i
ideal
，判断是否满足i
ideal
在0.5i
total
和1.5i
total
之间，如果符合，则满足成组条件。
[0024]
本发明中，基于c.m电池模型优化改进的动态放电模型，仅利用电芯的单个循环的放电曲线，通过识别特征值完成c.m动态建模，计算不同电芯间的理想工作点，实现快速分选。
[0025]
本发明中，利用电芯成组后的模组容量利用率验证快速分选法在多工况下理想工作点的合理性，模组容量利用效率定义为：
[0026][0027]
其中：指的是模组内任一电芯放电至截至电压时第i个电芯的soc状态，ci
指的是第i个电芯的额定容量，c
total
指的是模组的额定容量之和；
[0028]
在i1(0)/i2(0)＝c1/c2情况下，soc1(0+)＝soc2(0+)，后续cell 1和cell 2保持相同的soc状态，保持恒定状态，使得整体模组容量得到充分利用，其中u
ocvi
是第i个电芯的开路电压，soci第i个电芯的soc状态。
[0029]
本发明基于c.m电池模型优化改进的动态放电模型，仅利用电芯的单个循环的放电曲线，通过识别特征值完成c.m动态建模，计算不同电芯间的理想工作点，实现快速分选。
[0030]
本发明的有益效果在于：本方法提供了一种计算成本低，灵活性高的电池快速分选法，可以快速表征电池的模组容量利用效率，对电芯的并联成组和退役电池的梯次利用提供了技术和机理上的支撑。
附图说明
[0031]
图1为(a)电池c.m模型建立和(b)电池分选过程示意图。
[0032]
图2为四组不同工况的容量利用效率对比；其中：(a1)和(a2)为#1不同工况和工作点范围下的容量利用率，(b1)和(b2)为#2不同工况和工作点范围下的容量利用率，(c1)和(c2)为#3不同工况和工作点范围下的容量利用率，(d1)和(d2)为#4不同工况和工作点范围下的容量利用率。
具体实施方式
[0033]
下面通过实施例进一步说明本发明。
[0034]
实施例1：根据图1所示，一种基于并联分流特性的动力电池快速分选法。该方法可以高效地判断电池是否在正常工作范围内，实现快速分选。首先对电芯的单个循环的原始放电曲线进行滤波和平滑处理，取放电电压曲线平台期两端的数据点(q
exp
,v
exp
)、(q
nom
,v
nom
)，在此区间内获取标准差范围的数据，将放电曲线进行求导处理，求得放电曲线的斜率，得到原始放电曲线起始点，获得第三个特征点(0,v
full
)。通过识别放电曲线三个特征值，根据式(3)完成电芯的动态建模。根据式(4)计算不同电芯间的理想工作点，通过比较理想工作点能否落在模组的正常工作范围内，评估电芯能否用于成组，即实现分选目的。
[0035]
首先，挑选五个具有不同参数差异的电芯，具体参数如下表所示：
[0036]
[0037][0038]
通过恒流-恒压方式将电芯充满电，静置1小时后，分别以0.5c方式放电至截至电压，最终得到电池的单循环放电曲线；然后将五个电芯分别并联成组，合计得到四组，分别编号为#1～#4；针对各个电芯的放电曲线建立c.m模型，分别计算#1～#4的最高效率所对应的工作状态为理想工作点，按照公式(5)分别计算不同工况下模组容量利用效率，如图2所示；
[0039]
由图2(a,c,e,g)可以观察到，容量利用率大体呈现正态分布，偏离最高效率所对应的工作状态点越远，容量利用效率越低；理想工作点在0.5c～1.5c范围内容量利用效率接近100％，整体说明了利用理想工作点评估电池策略的有效性。
[0040]
由图2(b,d,f,h)可以观察到，以理想工作点为中点，以0.05c为间隔进行实验，可以发现在(b2)和(c2)情况下，理想工作点并非是模组容量利用效率最高的点，原因可由各工况下的支路电流分配情况来解释。
[0041]
实际运行中的稳态工作状态会略有偏差。以#2为例，稳态时i1(∞)/c1＞i3(∞)/c3，所以如果能够在起始点使得i3(0)/c3＞i1(0)/c1，提前弥补稳态时cell 1容量过度使用的情况，容量利用效率整体会比i3(0)/c3＝i1(0)/c1更高。
[0042]
本发明提出的分选判据为判断理想工作点是否落在正常工作范围(0.5c，1.5c)内。理想工作点落在(0.5c，1.5c)外，说明正常工作范围内模组一直以较低效率持续运行，并不适用成组，进而实现分选的目的。在本实施例中，#1的理想工作点为i
ideal1
＝0.21c
total
，落在正常工作范围外，并不适合于成组。