一種汽車電池檢測及回收系統

劉磊

（武漢理工大學計算機與人工智能學院，湖北 武漢430070）

1 研究背景

中國國務院常委會在2020 年10 月的會議上通過了《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035 年）》，對未來新能源汽車的發展進行了政府調控[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200 萬輛[2]，到2021 年1 月，全國的新能源汽車保優量已經達到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委員會第九次會議中強調，要在2030年前實現碳達峰，在2060 年前實現碳中和[3]。由此可見，新能源汽車產業已經成為了中國國家級發展戰略，新能源汽車是國家的汽車行業發展趨向。

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，這種物質在不加處理的情況下放置于環境中，不僅對環境造成極大危害，還對人體造成生理損傷。

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

因此設計一種合理的汽車回收系統對于電池的再利用以及環境的保護，具有重要意義。

2 動力電池的梯次回收

2.1 動力電池的循環利用

退役動力電池的循環利用過程如圖2 所示，電動汽車將經過廢舊拆解、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，從而達到動力電池中資源的循環利用。

圖2 動力電池的循環利用過程

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，回收企業數量不足，導致電池再生市場積極性較低，因此本文設計了一種新型梯次循環回收模式并搭建線上平臺。其結構如圖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，系統根據用戶提交的材料對電池狀態進行評估預測，確定電池回收方向，并由技術人員進行電池的性能測試。得到電池的具體情況后進行報價并實現電池回收。

3 回收平臺設計

“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 電池管理系統等多項功能為一體的有關新能源車電池的線上平臺，服務新能源車車主，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通道，主要開展新能源車廢舊電池回收業務，以此為中心，開發周邊產品，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，相關電池售后為輔多項服務內容。

池鳴天下線上平臺主要由5 大模塊構成，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功能，在最下方設計有公司的發展理念與項目主旨；在動力電池銷售界面，用戶可以進行點擊，查看每一類電池以及相應參數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信息；在購物車界面，用戶可以點擊添加收獲地址并進行訂單交易確定，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，關于我們及設置等功能。小程序整體流程如圖4 所示。

圖4 系統工作流程圖

整個平臺框架系統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，數據傳輸和事件系統通過邏輯層和視圖層提供。本設計的核心是一種數據的綁定系統，其作用是同步化數據和視圖。

3.1 首頁展示

首頁展示頁面要設計簡潔美觀，通過index.wxml文件實現頁面內容，頁面頂部采用輪播圖來實現左右滾動的效果，頁面中部顯示熱門功能分類，頁面下部顯示項目主旨與設計理念。其實現效果如圖5 所示。

圖5 首頁效果圖

3.2 商品購買頁面

在商品購買區的左側顯示本頁面主要商品，每個商品里面儲存有其商品詳細信息，通過scroll-view 組件來進行滾動視圖展示。在scroll-view 中通過wx:for語句循環顯示數據集里的各項數據。實現效果如圖6所示。

圖6 分類展示界面

4 電池檢測模塊設計

4.1 電池狀態評估

動力電池狀態估計主要分為3 種，即荷電狀態（SOC）、健康狀態（SOP）和功能狀態（SOH）估計，以此作為電池狀態的重要依據[5]。電壓、電流及溫度決定動力電池的SOC，電池損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

當前，動力電池的SOC 不能直接得到，要通過估計方法獲取結果。至今已經有許許多多的學者為SOC的估計方法付出巨大努力，所以也出現了許多種的估計算方法。安時積分法作為最經典的SOC 估計方法，在工業、商業中廣泛應用[6]。安時積分法只和電池充放電中電流大小有關，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，因此本設計聯合卡爾曼濾波法理論，即通過動力電池構建合適的數學模型和觀測模型，本文采用最小均方的方程設計，通過將觀測值大小于估計值大小的均方進行誤差最小化，實現最優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，是指在預定的時間間隔里，動力電池能夠釋放或吸收的最大功率。本設計對SOP 進行檢測時，應用復合脈沖法估計鋰離子電池狀態，利用SOC 下的開路電壓及內阻來估計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間的峰值電流，從而得出其峰值功率，本文所設計的SOP 估計中，選取10 s 為一區間。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，推導出電池的放電電阻，即：

而根據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，定義如下：

式（5）中：Cnow表示電池當前最大可用容量；Crate表示額定容量。

本設計中主要利用鋰電池的充放電測試儀來對電池進行標準測試，從而直接獲取電池的可用容量。本設計采用恒流-恒壓充電法（CC-CV）進行測試，測試流程如圖9 所示。

圖9 SOH 檢測流程

4.2 電池壽命預測

根據動力電池的充放電數據，可以分析計算出電池的容量、放電深度、開路電壓、工作電壓、內阻等主要參數。為了獲取并預測電池健康情況，本文對充放電曲線進行微積分處理、繪制曲線變化圖等進行分析，并進行循環測試，從而對動力電池的健康狀態和壽命進行參數預測。

通過對動力電池進行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行測試，通過反映LLI（活性鋰的損失）的電池健康特征參數衰減量在子區間的循環可疊加性，從而計算出在電池使用壽命的測試區間循環狀態下，動力電池的健康參數衰減量。代入容量回歸方程后，可以估算出動力電池在循環一定次數后電池容量的衰退量，從而推導出電池的壽命，實驗證明，誤差小于3%。循環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 結論

本文以新能源汽車的動力電池作為研究對象，設計了一種電池檢測及回收系統，設計了電池回收的梯度回收模式，并開發設計了基于安卓系統的線上回收平臺，本文還對電池的檢測進行模塊設計，通過SOC、SOP、SOH 檢測對電池的性能進行測試及實時預測。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行檢測并得到電池性能參數，若電池存在問題可以進行回收處理。回收時可以將電池拆解分離，并反饋給廠商進行二次利用。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行了設計，利用安時估計法并聯合卡爾曼濾波法理論來推導計算動力電池的荷電狀態，利用HPPC 的測試方法對電池進行SOP 估計，利用充放電測試儀對動力電池進行SOH 估計。將測量的參數代入建立數學回歸模型，對電池的健康狀態及壽命進行預測，實驗證明誤差小于3%。