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HAWKER叉车电瓶基于两步聚类的退役锂离子电池增强分选方法

准确快速的分选仍是实现退役锂离子电池安全再利用的关键挑战。本研究提出一种改进的两步聚类法以解决该问题。首先构建包含容量特征、直流内阻和温升速率的三维特征向量来表征电池老化状态。该容量特征可从局部充电曲线高效提取,从而缩短测试时长。其次提出基于排序点识别聚类结构算法,以剔除异常电池并获取可能的聚类数量随后,定义了K-means算法中质心初始化的参考范围,并综合放电电压曲线的数值特征与形态学特征进行二次分选。开发了融合静态与动态指标的双维度评估框架。采用200个实际退役电池进行的实验验证表明,该方法使静态一致性参数和动态一致性参数均获得显著提升,最大改善率分别达到64%和80%。再利用实验结果表明:通过两步聚类法组装的退役电池组的潜在循环次数,较随机筛选退役电池组装的电池组提升了68%。该方法为退役电池回收利用提供了高效解决方案。K defines the initialization reference range for centroids in the K-means algorithm, and numerical and morphological features of discharge voltage curve are combined to perform secondary sorting. A dual-dimensional evaluation framework integrating both static and dynamic indicators has been developed. Experimental validation using 200 real-world retired batteries demonstrates significant improvements in both static and dynamic consistency parameters, with maximum enhancement rates reaching 64% and 80%, respectively. The result of the reuse experiment reveals the potential cycle numbers of reuse pack manufactured via two-step clustering is 68% higher than that of reuse packs assembled from randomly selected retired batteries. This method provides an efficient solution for the recycling of retired batteries.

图文摘要

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引言

锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命(Lai等,2021),已成为新型电动汽车首选的储能解决方案。当电池容量衰减至初始容量的80%以下时,通常被认为达到使用寿命终止状态(Hua等,2021;Lai等,2022)。预计到2030年,中国退役锂离子电池规模将达280吉瓦时,这对电池回收领域构成重大挑战与压力(Yang等,2021)。退役电池通常保有60%-80%的原始容量(Li等,2024),使其适用于通信基站(G. Zhang等,2023)、电力储能系统(Deng等,2024)和低速电动汽车(Sharma与Chinnappa Naidu,2023)等二次应用场景。
然而,退役锂离子电池因多样的使用历史表现出不一致的退化速率,从而导致显著的性能参数离散现象(Xu等,2019)。与全新电池相比,由退役电芯组成的电池组管理 inherently更具挑战性。一种可行的策略是在组装前优先筛选具有相似性能的退役电芯进行配对(Piombo等,2025)。
退役电池分选研究主要聚焦于准确性与效率两大维度(Guo等,2025)。在分选准确性方面,学者通常采用标准测试获取静态特征参数,包括容量(Li等,2017)、开路电压OCV(An等,2016)及内阻(Xu等,2022)等,用于评估电池在非工作状态下的性能。尽管静态特征能确保电池组初始一致性,但在动态运行过程中性能差异往往会显著放大。因此,仅依赖静态特性无法保证长期一致性。为解决这一问题,研究者引入了动态特征指标以更全面地描述复杂工况下的电池性能,包括电压曲线(C. Zhang等,2023)、IC曲线(Li等,2020)以及电化学阻抗谱(Lai等,2022;W. Zhang等,2023)。例如,Tao等(2023)从电压-容量曲线及dQ/dV曲线中提取了30个特征参数进行分类研究,而Bai等(2023)则通过阻抗谱与等效电路模型推导老化参数实现均质分组。然而,通过标准测试获取这些特征参数耗时较长。例如,Schneider等人(2014)发现单个充放电循环通常耗时超过2小时。此外,新型排序算法的开发对提升准确性至关重要(Xu等人,2020)。他们提出了一种无需预定义聚类数量与中心的聚类算法,显著提高了分选精度(Huang等人,2022)。采用朴素贝叶斯分类器实现了96.9%的分类准确率,但其对先验模型的依赖性和数据分布变化的敏感性限制了算法的鲁棒性。Lyu等人(2023)提出了一种结合层次聚类与模糊C均值半参数聚类方法,用于处理分布变化数据的分类。然而,由于对数据分布的依赖性,此类方法的效率仍欠佳。这些研究表明,通过整合多特征与先进算法可提升分选精度,但效率瓶颈仍待突破。
在排序效率研究领域,学者们致力于通过优化排序方法或缩短指标获取时间来提升可行性。数据驱动方法因其高效性与准确性受到广泛关注。这类方法通过提取电池特征并采用机器学习算法进行分类,显著提高了效率。Fang等人(2013)基于热行为分析开发了自组织映射(SOM)模型,实现了镍氢电池的高效分类。此外,机器学习技术与增量容量分析(IC)、混合脉冲功率特性测试(HPPC)(Ran等,2022;Zhu等,2020)以及部分充电测试(Tian等,2021)相结合,进一步提升了效率(Zhou等,2020)。研究利用IC曲线的峰值坐标训练支持向量机(SVM)模型,使平均电流标准偏差降低约14倍。与传统方法相比,特征提取时间可减少80%。提升分选效率的关键路径在于缩短排序指标的获取时间(Zhou等,2020)。该研究从2分钟快速脉冲测试中提取了18个特征点,验证了这些特征点与容量和内阻的相关性。然而分类准确率未达到89%,表明需要平衡快速特征提取与高精度分类的需求。
尽管在退役电池分选领域已取得近期进展,但实现效率与精度的平衡仍存在重大挑战。当前方法主要依赖于单体电池测试,该方式效率低下且耗时冗长,难以满足规模化应用需求。最优分选指标的选取是另一关键问题,单参数分选缺乏一致性,而多维分选又受信息冗余问题制约。此外,现有方法往往未能考虑异常老化电池的影响,从而导致分选精度下降。
为解决上述挑战,本研究提出一种用于退役锂电池分选的两阶段聚类方法,有效平衡效率与准确性。所提方法的有效性通过200个真实退役电池数据集得到验证。本文主要贡献可概括如下:
  • (1)
    为解决耗时排序问题,本研究从局部最优充电区间提取表征容量特征,显著提升分类效率。
  • (2)
    针对指标选择精度不足的问题,提出一种基于静态与动态特征的大规模退役电池高效综合分选方法。
  • (3)
    为降低异常电池对分选一致性的负面影响,采用OPTICS算法进行初筛以剔除异常样本,从而提高第二阶段分选准确率。
  • (4)
    将初筛结果作为第二阶段k-means算法的初始化参数,既减少初始化时间又进一步提升分选效率。