一种退役磷酸铁锂和三元锂电池混合协调控制方法及系统与流程

本发明涉及锂电池回收利用技术领域，具体涉及一种退役磷酸铁锂和三元锂电池协调控制方法及系统。

背景技术：

随着我国新能源汽车产业迅速发展，动力蓄电池用量也“水涨船高”，当新能源汽车上的蓄电池剩余电池容量降低至原来容量的80％后，不能满足电动汽车行驶里程需求，即需作为退役电池处理。退役电池中残余了大量的电量，因此，若经科学处理，仍可再次利用，以避免能源浪费。退役后的电池通常会经过检测剩余电量(stateofcharge，soc)，筛选健康电池，最后进行重组等环节重新利用。

随着科技的发展，锂电池呈现多元化发展，市面上常用的锂电池按正极材料可分为磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂、三元锂等，其中，磷酸铁锂和三元锂是目前应用最多的两种锂电池，磷酸铁锂电池由于经济性及安全性较好，是早期电动汽车的主要动力电池，三元锂电池由于其较高的能量密度成为了主流动力电池。因此，目前，大规模的磷酸铁锂和三元锂电池正在进入退役阶段。

由于退役后的锂电池性能各异，因此，梯次利用是动力电池产业回收的一种重要途径，也是形成动力电池产业链闭环的重要环节，对资源回收、环境保护及高效利用电池寿命均具有重要价值。现有技术中针对退役锂电池进行回收利用时，通常是针对同一种类的电池进行回收利用，由于每种电池都有自身的优势和劣势，因此，将各种电池单一的进行回收利用会使得其回收利用效果受限。若能将不同种类的锂电池进行组合利用，由于不同种类的锂电池在性能上可以互补，则可更大程度的发挥其各有的优势，实现退役电池更有效地再利用。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种回收利用效果更好地多种退役电池的协调控制方法。

本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种回收利用效果更好地多种退役电池的协调控制系统。

本发明所要解决的第三个技术问题是：提供一种回收利用效果更好地多种退役磷酸铁锂和三元锂电池的协调控制方法。

本发明所要解决的第四个技术问题是：提供一种回收利用效果更好地多种退役磷酸铁锂和三元锂电池的协调控制系统。

为了解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于多种退役电池协调控制的方法，包括以下步骤：

s1、筛选退役电池：将剩余寿命与剩余容量满足以下条件的同种类退役电池筛选配成组，所述退役电池包括至少两种电池：

剩余寿命：|maxl-minl|≤10％·minl

剩余容量：|maxq-minq|≤10％·minq

式中，l为预测的单节退役电池电芯的剩余循环次数，q为预测的单节退役电池电芯的剩余容量；

s2、梯次利用动力电池模组建立：将上述步骤s1配得的不同种类的电池组串联组成电池模组，所述电池模组内不同种类的电池组间满足以下条件：不同种类电池组的组数、该种电池组的总容量与该种电池组内电芯的平均寿命的乘积相等；

s3、对电池模组内的电池性能进行监控管理对模组的性能进行监控分析进而管理控制电池模组。

优选地，所述退役电池包括三种电池，设置在同一个模组内的三种电池组的组数需满足以下条件：

n1·q1·l1＝n2·q2·l2＝n3·q3·l3

式中：n1为第一类电池组数，n2为第二类电池组数，n3为第三类电池组数；

q1为第一类电池组内电芯的总容量，q2为第二类电池组内电芯的总容量，q3为第三类电池组内电芯的总容量；

l1、l2、l3分别对应第一类、第二类、第三类电池组内的单节电芯的平均寿命。

为了解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多种电池协调控制方法的系统，包括梯次利用动力电池模组、电池状态检测模块、电池状态分析模块、能量控制管理模块、主控模块和电池安全保护模块，所述梯次利用动力电池模组为按照上述方法建立的梯次利用动力电池模组；

所述主控模块分别与梯次利用动力电池模组、电池状态分析模块、电池安全保护模块和能量控制管理模块相连，所述梯次利用动力电池模组还分别与所述电池状态检测模块、能量控制管理模块和电池安全保护模块电连接，所述电池安全保护模块分别与电池状态检测模块、梯次利用动力电池模组连接；

其中，所述电池状态检测模块用于检测电池的状态，并将检测的状态上传至电池状态分析模块；

所述电池状态分析模块用于通过电流电压对电池soc进行评估；

所述电池安全保护模块用于对电池电路进行过流保护、过充保护以及过温保护；

所述能量控制管理模块用于对退役电池充放电控制以及退役电池均衡控制；

所述主控模块用于处理接收的信息，在充放电过程中根据电量信息和实时工况选择充放电电池组种类。

进一步地，所述电池状态检测模块设有多个检测单元，每个电池退上分布有一个检测单元。

进一步地，所述用于多种电池协调控制的系统还包括电池信息管理模块，所述电池信息管理模块与所述电池状态分析模块和主控模块连接，所述电池信息管理模块用于存储和显示电池状态分析模块的数据。

进一步地，所述电池安全保护模块包括温度控制装置，所述温度控制装置分别与不同种类的电池组电连接。

进一步地，所述温度控制装置包括冷却管、冷却液、带有开关泵的冷却液加热器和带有开关泵的冷却液散热器，所述冷却管内盛放有冷却液，所述带有开关泵的冷却液加热器和带有开关泵的冷却液散热器分别与所述冷却管连接。

本发明的有益效果在于：同时将不同种类的电池进行回收利用，可充分发挥各种退役电池自身的优势，实现退役电池的充分再利用，本发明方案将不同种类的退役电池进行巧妙地配组设计，综合考虑不同种类电池的寿命及容量，使得不同种类的电池组的剩余循环寿命同时耗尽，达到梯次利用的最大效率。

为了解决上述第三个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种退役磷酸铁锂和三元锂电池协调控制方法，包括以下步骤：

s01、筛选退役电池：将剩余寿命与剩余容量满足以下条件的同种类退役电池筛选配成组，其中，所述退役电池包括磷酸铁锂电池和三元锂电池：

剩余寿命：|maxl-minl|≤10％·minl

剩余容量：|maxq-minq|≤10％·minq

式中，l为预测的单节退役电池电芯的剩余循环次数，q为预测的单节退役电池电芯的剩余容量；

s02、梯次利用动力电池模组建立：选取步骤s01筛选出的磷酸铁锂电池a节并联组成退役磷酸铁锂电池组，三元锂电池b节并联组成退役三元锂电池组；将m组退役磷酸铁锂电池组串联组成第一类电池模组，将n组退役三元锂电池组串联组成第二类电池模组，再将两类电池模组并联组成梯次利用动力电池模组，其中，m与n根据工作电压u决定，m满足以下关系式：

|4.2×m-u|≤5％·u

n满足以下关系式：

|3.7×n-u|≤5％·u

所述a与b需满足以下关系式：

式中，q1为退役磷酸铁锂电池组电芯充满电后的平均剩余容量；q2为退役三元锂电池组电芯充满电后的平均剩余容量；l1为预测的磷酸铁锂电池组电芯平均循环寿命次数；l2为预测的三元锂电池组电芯平均循环寿命次数；

s4、对模组的性能进行监控分析进而管理控制电池模组。

进一步地，所述模组的性能包括电池状态、电池安全性或电池能量中的至少一种。

进一步地，所述电池状态包括电流、电压或温度中的至少一种。

进一步地，所述电池安全性包括电池是否过充或过放。

进一步地，预测退役电池的剩余循环次数及剩余容量的操作按照现有技术中常规的方法进行预测即可。

为了解决上述第四个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于实现上述退役磷酸铁锂和三元锂电池协调控制方法的系统，包括梯次利用动力电池模组、电池状态检测模块、电池状态分析模块、能量控制管理模块、主控模块和电池安全保护模块；

所述主控模块分别与梯次利用动力电池模组、电池状态分析模块、电池安全保护模块和能量控制管理模块相连，所述梯次利用动力电池模组还分别与所述电池状态检测模块、能量控制管理模块和电池安全保护模块电连接，所述电池安全保护模块分别与电池状态检测模块、梯次利用动力电池模组连接；

其中，所述电池状态检测模块用于检测电池的状态，并将检测的状态上传至电池状态分析模块；

所述电池状态分析模块用于通过电流电压对电池soc进行评估；

所述电池安全保护模块用于对电池电路进行过流保护、过充保护以及过温保护；

所述能量控制管理模块用于对电池的过充、过放及电池均衡信息传递给主控模块，并根据主控模块下达的信息进行控制管理；

所述主控模块用于处理接收的信息，在充放电过程中根据电量信息和实时工况选择充放电电池组种类。

进一步地，所述用于多种电池协调控制的系统还包括电池信息管理模块，所述电池信息管理模块与所述电池状态分析模块和主控模块连接，所述电池信息管理模块用于存储和显示电池状态分析模块的数据。

进一步地，所述电池安全保护模块包括温度控制装置，所述温度控制装置分别与磷酸铁锂和三元锂电池组电连接。

进一步地，所述温度控制装置包括冷却管、冷却液、带有开关泵的冷却液加热器和带有开关泵的冷却液散热器，所述冷却管内盛放有冷却液，所述带有开关泵的冷却液加热器和带有开关泵的冷却液散热器分别与所述冷却管连接。

本发明的有益效果在于：由于磷酸铁锂电池退役后仍拥有较高的循环寿命，而三元锂电池退役后仍具有较高的能量密度，组合后通过协调管理系统可以将磷酸铁锂电池组的循环寿命和三元锂电池组的循环寿命同时耗尽，达到梯次利用的最大效率，本发明方案将退役磷酸铁锂电池和三元锂电池进行巧妙的结合，由于磷酸铁锂电池的低温适应性较差，三元锂电池可在低温下为冷却液加热，并将热能转递至磷酸铁锂电池组附近，改善磷酸铁锂电池的放电环境；退役磷酸铁锂电池仍具有较高的循环次数和寿命，退役三元锂电池仅有较高的能量密度，采用本发明方案将磷酸铁锂电池与三元锂电池混合协调控制后，模组内的电池组可以同时达到耗尽使用寿命的状态，充分利用多种类型锂电池的剩余寿命，充分发挥磷酸铁锂电池高循环寿命和三元锂电池高能量密度的优势；同时采用带有冷却液散热器和冷却液加热器的温度控制装置，使得电池模组内的充放电环境能够得到更为合理的控制，更有效地发挥电池的性能；采用退役电动汽车的磷酸铁锂电池和三元锂电池作为对象，充分发挥两种锂电池的优势，节约动力电池的原料成本，增加退役电池使用寿命，充分利用动力电池的性能。

附图说明

图1为本发明实施例的退役磷酸铁锂和三元锂电池协调控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例的温度控制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的温度控制装置的工作原理图。

标号说明：

1、三元锂电池组；2、磷酸铁锂电池组；3、冷却液；4、冷却液加热器及开关泵；5、冷却液散热器及开关泵。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明实施例为：一种退役磷酸铁锂和三元锂电池混合协调控制方法及其系统组成，如图1所示，所述系统包括梯次利用动力电池模组、电池状态检测模块、电池状态分析模块、电池安全保护模块、能量控制管理模块、电池信息模块和主控模块，所述主控模块分别与电池信息管理模块、电池状态分析模块、电池安全保护模块和能量控制管理模块相连，所述梯次利用动力电池模组还分别与所述电池状态检测模块、能量控制管理模块和电池安全保护模块电连接，所述电池安全保护模块分别与电池状态检测模块、梯次利用动力电池模组连接；所述梯次利用动力电池模组包括磷酸铁锂电池组和三元锂电池组，所述电池状态检测模块包括三元锂电池检测单元和磷酸铁锂检测单元，所述三元锂电池检测单元与所述三元锂电池组电连接，并将检测的电池信息上传给电池状态分析模块。

所述磷酸铁锂检测单元与所述磷酸铁锂电池组电连接，对磷酸铁锂电池模组的电压、电流以及温度进行检测，并将信息上传给电池状态分析模块。所述能量控制管理模块、电池信息模块和电池安全保护模块均同时与磷酸铁锂电池组和三元锂电池组电连接，所述电池安全保护模块与三元锂电池状态检测模块、磷酸铁锂电池状态检测模块、磷酸铁锂电池模组、三元锂电池模组连接，对电池电路进行过流保护、过充过放保护以及过温保护；所述电池状态分析模块与三元锂电池状态检测模块、磷酸铁锂电池状态检测模块、电池信息管理模块相连，用于通过电流电压对电池soc进行评估；所述能量控制管理模块用于对磷酸铁锂电池和三元锂电池充放电控制以及电池均衡控制；所述电池信息管理用于显示检测得到的电池信息以及电池soc评估；所述主控模块与电池信息管理模块、电池状态分析模块、电池安全保护模块、能量控制管理模块相连，用于处理接受的信息，在充放电时根据电量信息和实时工况选择充放电电池组种类。

所述梯次利用动力电池模组的构建方法如下：

通过现有方式对退役的磷酸铁锂电池电芯剩余容量q1和剩余寿命l1进行预测，选择剩余寿命满足|maxl-minl|≤10％·minl，以及剩余容量满足|maxq-minq|≤10％·minq的退役电池进行筛选配组，退役磷酸铁锂电池组采用a节经过预测剩余寿命和剩余容量满足上述要求的圆柱形电池电芯组成。

通过现有方式对退役的三元锂电池电芯剩余容量q2和剩余寿命l2进行预测，选择剩余寿命满足|maxl-minl|≤10％·minl，以及剩余容量满足|maxq-minq|≤10％·minq的退役电池进行筛选配组，退役三元锂电池组采用b节经过预测剩余寿命和剩余容量满足上述要求的圆柱形电池电芯组成(电芯所需个数a与b根据所需工作电压决定，单节磷酸铁锂电池电芯电压在2v～3.8v，单节三元锂电池电芯电压在3v～4.2v)。

将m组退役磷酸铁锂电池组与n组退役三元锂电池组进行串联组成梯次利用动力电池模组。每组退役磷酸铁锂电池组的总容量qf＝q1·a，每组三元锂电池组的总容量qg＝q2·b。

m与n根据工作电压u决定，m满足以下关系式：

|4.2×m-u|≤5％·u

n满足以下关系式：

|3.7×n-u|≤5％·u

为满足协调控制要求，磷酸铁锂电池组和三元锂电池组的循环寿命同时耗尽，模组内的电池满足以下关系式：m·qf·l1＝n·qg·l2，即m与n需满足如下公式才能达到协调控制要求：因此，所述a与b需满足以下关系式：

式中：q2为三元锂电池电芯所测容量。q1为磷酸铁锂电池电芯所测容量。l1为磷酸铁锂电池电芯所测循环寿命次数。l2为三元锂电池电芯所测循环寿命次数。

能量控制管理模块：主要功能有电池过充过放控制管理和电池均衡控制管理，通过配置好的退役电池组具有合适的电池占比，能量控制管理模块会协调控制电池组同时放电，随着放电的持续进行，磷酸铁锂电池电芯会优先耗尽，此时能量控制管理模块会提示电量耗尽不宜进行充电，但三元锂电池电芯中仍有能量，在极端情况下，可通过能量管理控制模块单独使用直至耗尽(此情况会严重影响电芯寿命故仅在紧急情况下可以使用)。磷酸铁锂电池组具有较长的循环寿命，在协调控制下，两组电池会同时耗尽寿命。对电池进行最充分的利用。

电池安全保护模块：主要功能有电池的过流保护、电池过充过放保护以及温控保护，主要是通过电池状态采集模组采集到的状态参数，判断动力电池和其他各部分是否处于异常状态。一旦发生如过流、过压等异常状态发生，系统能及时断开相关电路并报警。

电池安全保护模块重要组成部分是温度控制装置，其实现温度控制的方式如下：

温度控制装置结构组成：主要由图2中的冷却管及冷却液3、冷却液加热器及开关泵4、冷却液散热器及开关泵5组成，其中，冷却液加热器及开关泵4、冷却液加热器及开关泵5同时与磷酸铁锂电池组2和三元锂电池组1连接。

过温保护实现原理：当退役三元锂电池过流过压时会使其电池温度过高，容易发生爆炸起火，此时电池安全保护模块会及时断开三元锂电池模组的连接，并通过磷酸铁锂电池给冷却液散热器及开关泵供能加快冷却液的循环和散热进行降温措施，此时冷却液散加热器及开关泵停止工作，温度控制原理流程如图3所示，当磷酸铁锂电池组和三元锂电池组温度超过第一预设值50℃(也可设置为其他值)后，由锂电池组共同供电的冷却液散热器及开关泵开始工作，加快冷却液的循环并加速冷却液的降温，同时检测电池温度上传至主控模块。当电池低于第二预设值0℃(也可设置为其他值)后，温控装置会在低温下通过三元锂电池供电，开启冷却液加热器，冷却液加热后与三元锂电池组的热量一同传输至磷酸铁锂电池组周围的冷却管中，给予磷酸铁锂电池组合适的放电温度，改善磷酸铁锂电池的放电环境。

电池状态检测模块：由磷酸铁锂电池状态检测模块合三元锂电池状态检测模块组成，分布式布置在退役电池模块上，用来检测退役锂电池模组的电流、电压以及温度，并将信息上传至电池状态分析模块，用来实时提供退役锂电池的状态。

电池状态分析模块：锂电池在系统工作中，(最重要的参数就是电池荷电状态即soc，电池状态分析模块通过检测模块获得的数据，通过安时积分法，以及卡尔曼滤波法对电池soc进行准确的估计，实时反馈电池soc状态，并上传至主控模块。

主控模块：主要功能用于收集电池状态检测模块、电池状态分析模块、能量控制管理模块、电池安全保护模块、电池信息管理模块的信息，并将指令下达至各模块，使各模块可以发挥其功能。

电池信息管理模块：主要功能有电池信息的显示，内外部信息交互以及电池历史信息存储，电池状态分析模块的数据被上传至电池信息管理模块进行存储和显示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。