李勇琦，雷旗開，王 浩，華思聰

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510630；2.先進儲能技術(shù)聯(lián)合實驗室，廣東 廣州 510630；3.杭州高特電子設(shè)備股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

電動汽車對動力電池有更高的性能要求，并且動力電池經(jīng)過長期使用其容量下降到一定程度，如果車輛不能滿足動力性能、行駛里程以及安全性能的要求，就必須進行更換和退役。退役動力電池一般有較高的剩余容量（70%初始容量以上）和使用壽命，其經(jīng)過重新測試、分析和重組后，可應(yīng)用于其他工作條件相對較好、電池性能要求相對較低的場合。我國電動汽車已進入快速發(fā)展階段，動力鋰離子電池退役數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢。動力電池的梯級利用可以產(chǎn)生新的應(yīng)用價值，降低電動汽車電池的初始購買成本，促進電動汽車的推廣應(yīng)用。同時，動力電池儲能系統(tǒng)可以降低儲能工程成本，便于儲能技術(shù)的推廣應(yīng)用，促進節(jié)能減排。推進退役動力電池的梯次利用，就必須進行快速的性能檢測與分析，剔除不具備梯次利用價值的電池[1-4]。

本文針對退役的磷酸鐵鋰電池，結(jié)合電池容量、能量以及內(nèi)阻等特征，提出一種基于K-means聚類算法的電池分選方法，可以更準(zhǔn)確地分選出性能一致的電池成組。

1 磷酸鐵鋰電池的電池特性

磷酸鐵鋰電池憑借在性能及成本方面的優(yōu)點廣受汽車廠商歡迎，其正極由LiFePO4組成，負極由石墨組成，電池內(nèi)部中間是隔膜，用于隔離正負電極和電子，允許鋰離子通過，如圖1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在充放電的過程中，磷酸鐵鋰電池正極的離子反應(yīng)式為：

由電池自放電或低溫環(huán)境造成的容量損失均為可逆損失，但隨著電池放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)部也會發(fā)生金屬鋰沉積和電解液分解等副反應(yīng)，電池的容量會造成不可逆的損失。圖2是某廠商提供的磷酸鐵鋰電池的容量衰減曲線，當(dāng)放電倍率發(fā)生變化，曲線仍舊能保持線性，這利于電池的梯次利用[5]。

圖2 磷酸鐵鋰電池循環(huán)衰減曲線

2 退役磷酸鐵鋰電池的一致性篩選

電池一致性表現(xiàn)在電池組內(nèi)各單體電池的端電壓、內(nèi)部溫度、可用容量以及自放電率等參數(shù)的一致性，對其實際應(yīng)用尤為重要[6]。

在退役電池的梯次利用中可根據(jù)開路電壓、容量、內(nèi)阻、溫度以及倍率特性等因素進行電池的二次配組。圖3是一種梯次利用電池篩選的流程圖，退役動力電池模組拆解后需要經(jīng)過兩次檢測，第一次為外觀檢測，判斷電池外觀是否合格，剔除外觀存在鼓包、漏液、變形的電池，第二次為性能檢測，判斷電池基本性能是否滿足要求，剔除容量低于原始容量50%、端電壓異常或者是內(nèi)阻值過大的電池。最后通過K-means聚類算法對篩選后的電池進行分級。

圖3 梯次利用電池的篩選流程

2.1 K-means聚類算法

K-means聚類算法由MacQueen提出，該算法是數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域中的一種重要方法，其選取歐氏距離作為相似性和距離判斷準(zhǔn)則，K-means聚類算法流程如圖4所示[7]。

圖4 K-means聚類算法流程圖

計算該類內(nèi)各點到聚類中心μi的距離平方和，公式為：

式中，xi是數(shù)據(jù)樣本中的數(shù)據(jù)點，其屬于在K均值聚類算法劃分的Ck類中。聚類中心μk應(yīng)該取為類別ck類各數(shù)據(jù)點的平均值，K均值聚類算法從一個初始的K類別開始，然后將各數(shù)據(jù)點劃分到各個類別中，K均值聚類算法中總的距離平方和隨著類別個數(shù)K的增加而趨向于減小，當(dāng)K=n時，J(C)=0[8]。

2.2 電池性能測試的關(guān)鍵指標(biāo)

容量C是電池在一定條件下可獲取的電池能量。容量不一致問題會造成電池組短板效應(yīng)。容量最小的電池達到滿電狀態(tài)時，其余電池還處于未充滿狀態(tài)，容量最小的電池決定電池組的充電時間，而放電過程中也會使整個電池組提前終止放電，導(dǎo)致電池組利用率降低。

能量E是電池在一定條件下對外做功所輸出的電能。測試中用代表電池性能的能量參數(shù)代替一般測試過程中的開路電壓參數(shù)，將電池擱置規(guī)定時長后再調(diào)節(jié)至目標(biāo)荷電狀態(tài)進行測量并計算壓差，然后對電池進行分組。電壓分選方法簡便但考慮因素過少，不能反映電流和容量等性能參數(shù)，準(zhǔn)確度不高。該測試充放電過程中能量作為分選參數(shù)，可以彌補電壓分選的不足，具有較好的分選參考價值。

內(nèi)阻R一定程度上能夠體現(xiàn)出電池的狀態(tài)信息。內(nèi)阻差別較大時，電池充放電過程中放出不同的熱量，造成電池組內(nèi)單體電池間溫度差異較大，電池組內(nèi)的不一致性現(xiàn)象更加嚴(yán)重，并且內(nèi)阻大的電池升溫快，會嚴(yán)重影響電池充放電循環(huán)時的容量，制約電池性能發(fā)揮[9]。

2.3 退役磷酸鐵鋰電池聚類分選

采用K-means聚類算法對退役磷酸鐵鋰電池進行聚類分選，首先需要獲取電池相關(guān)參數(shù)，如開路電壓、容量、內(nèi)阻、溫度以及倍率特性等，在梯次利用的篩選過程中獲得這些數(shù)據(jù)后對其分別進行歸一化處理，通過計算這些數(shù)據(jù)在多維空間中的歐式距離再進行分選。

本文采用的退役磷酸鐵鋰電池由天津某公司提供（額定容量為50 Ah，標(biāo)稱電壓為3.2 V），文中以儲能電站為分選后梯次利用電池的應(yīng)用場景，其中容量C、能量E、內(nèi)阻R作為聚類樣本的3個維度，3個參數(shù)的獲取實驗遵照國標(biāo)GB/T 36276-2018《電力儲能用鋰離子電池》中性能試驗標(biāo)準(zhǔn)，實驗設(shè)備由杭州高特電子設(shè)備股份有限公司提供（電壓分辨率為1 mV，電流分辨率為1 mA，時間分辨率為1 s）[10]?？紤]到電池容量在退役梯次利用過程中對電池的性能影響較大，文中以容量劃分聚類中心，按照容量均勻分布原則確定K個聚類中心，其聚類結(jié)果如圖5所示。

圖5 K-means聚類結(jié)果

3 結(jié) 論

當(dāng)退役磷酸鐵鋰電池在大規(guī)模電化學(xué)儲能電站進行梯次利用時，其電池的分選質(zhì)量直接決定成組電池的性能，進而影響電池梯次利用帶來的效益。因此一套好的電池分選策略是不可缺少的。本文通過測試數(shù)據(jù)分析退役磷酸鐵鋰電池性能，結(jié)合K-means聚類算法，提出了新的分選方法。實驗表明，基于容量、端電壓以及溫升等參數(shù)的K-means聚類分選方法能反映電池的充放電特征，可以獲得較好的分選效果，具有一定的實際工程應(yīng)用價值。