一種汽車電池檢測及回收系統(tǒng)

劉磊

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

1 研究背景

中國國務(wù)院常委會在2020 年10 月的會議上通過了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》，對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。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經(jīng)委員會第九次會議中強(qiáng)調(diào)，要在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060 年前實現(xiàn)碳中和[3]。由此可見，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了中國國家級發(fā)展戰(zhàn)略，新能源汽車是國家的汽車行業(yè)發(fā)展趨向。

圖1 2012—2020 年中國新能源汽車銷量趨勢（單位：萬輛）

新能源汽車的動力主要為電池，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，不僅對環(huán)境造成極大危害，還對人體造成生理損傷。

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

因此設(shè)計一種合理的汽車回收系統(tǒng)對于電池的再利用以及環(huán)境的保護(hù)，具有重要意義。

2 動力電池的梯次回收

2.1 動力電池的循環(huán)利用

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

圖2 動力電池的循環(huán)利用過程

2.2 動力電池回收模式

目前，由于動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)致電池再生市場積極性較低，因此本文設(shè)計了一種新型梯次循環(huán)回收模式并搭建線上平臺。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 梯次回收模式

用戶可以通過平臺來填寫廢舊電池的狀況，系統(tǒng)根據(jù)用戶提交的材料對電池狀態(tài)進(jìn)行評估預(yù)測，確定電池回收方向，并由技術(shù)人員進(jìn)行電池的性能測試。得到電池的具體情況后進(jìn)行報價并實現(xiàn)電池回收。

3 回收平臺設(shè)計

“池鳴天下”是一個集新能源車廢舊電池回收、動力電池銷售、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)等多項功能為一體的有關(guān)新能源車電池的線上平臺，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。本平臺專門針對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。該平臺涵蓋了以電池回收為主，相關(guān)電池售后為輔多項服務(wù)內(nèi)容。

池鳴天下線上平臺主要由5 大模塊構(gòu)成，分別是首頁、動力電池銷售頁面、充電樁地圖顯示頁面、購物車頁面顯示頁面、用戶個人顯示頁面。在首頁中通過輪播圖播放活動圖片效果，并在其下方放置最常用的功能分類便于顧客點擊對應(yīng)功能，在最下方設(shè)計有公司的發(fā)展理念與項目主旨；在動力電池銷售界面，用戶可以進(jìn)行點擊，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；在購物車界面，用戶可以點擊添加收獲地址并進(jìn)行訂單交易確定，用戶個人顯示頁面主要包括個人賬號管理及登錄、購買歷史、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

整個平臺框架系統(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)計簡潔美觀，通過index.wxml文件實現(xiàn)頁面內(nèi)容，頁面頂部采用輪播圖來實現(xiàn)左右滾動的效果，頁面中部顯示熱門功能分類，頁面下部顯示項目主旨與設(shè)計理念。其實現(xiàn)效果如圖5 所示。

圖5 首頁效果圖

3.2 商品購買頁面

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

圖6 分類展示界面

4 電池檢測模塊設(shè)計

4.1 電池狀態(tài)評估

動力電池狀態(tài)估計主要分為3 種，即荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOP）和功能狀態(tài)（SOH）估計，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 以及動力電池的運行情況決定。

4.1.1 SOC 估計

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

將式（1）離散化可得：

式（1）（2）中：t0為計時起始時間；It為動力電池輸出電流的大小；Cbat為動力電池的額定容量；ΔT為采樣時間。

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

圖7 SOC 估計流程

4.1.2 SOP 估計

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

SOP 估計一般是利用混合脈沖功率性HPPC 測試的方法，即通過給動力電池施加一恒定的電流脈沖[7]，計算出電池在某一區(qū)間的峰值電流，從而得出其峰值功率，本文所設(shè)計的SOP 估計中，選取10 s 為一區(qū)間。HPPC 功率測試方法如圖8 所示。

圖8 HPPC 功率測試方法

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 測試的功率計算，計算出動力電池的放電功率，即：

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

4.1.3 SOH 估計

在動力電池的SOH 評估中，一般只將電池的容量作為評價的指標(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)計中主要利用鋰電池的充放電測試儀來對電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測試，從而直接獲取電池的可用容量。本設(shè)計采用恒流-恒壓充電法（CC-CV）進(jìn)行測試，測試流程如圖9 所示。

圖9 SOH 檢測流程

4.2 電池壽命預(yù)測

根據(jù)動力電池的充放電數(shù)據(jù)，可以分析計算出電池的容量、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)測電池健康情況，本文對充放電曲線進(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)測試，從而對動力電池的健康狀態(tài)和壽命進(jìn)行參數(shù)預(yù)測。

通過對動力電池進(jìn)行SOC 空間劃分，分割出5 個SOC 子空間，對充電電流倍率和截至電壓進(jìn)行測試，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，從而計算出在電池使用壽命的測試區(qū)間循環(huán)狀態(tài)下，動力電池的健康參數(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，實驗證明，誤差小于3%。循環(huán)測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力電池作為研究對象，設(shè)計了一種電池檢測及回收系統(tǒng)，設(shè)計了電池回收的梯度回收模式，并開發(fā)設(shè)計了基于安卓系統(tǒng)的線上回收平臺，本文還對電池的檢測進(jìn)行模塊設(shè)計，通過SOC、SOP、SOH 檢測對電池的性能進(jìn)行測試及實時預(yù)測。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，使得車主可以對汽車動力電池進(jìn)行檢測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。回收時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、廠商回收時更為方便，提高了電池回收的效率。

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