【专家视角】基于大数据的动力电池性能评估评价体系研究

01 项目研究背景与意义

随着新能源汽车产业的快速发展，按照一般整车厂电池8年衰减20%的质保能力，动力电池退役数量将迎来快速增长爆发期。预计2025年退役电池将达到93GWh，每年退役电池包数量将超过100万量级。随着退役电池的市场规模逐渐变大，如何处理退役电池，在处理过程中如何最大限度发挥它的市场价值是迫切的需求。处理方式分为直接拆解废弃或梯次利用，若直接拆解报废，一是拆解回收过程中存在环境污染；二是造成大量的浪费，按照国家标准衰减至80%退役，退役电池的单体剩余容量较高，直接报废并没有发挥出电池的最大贡献价值。若选择梯次利用，可以有效发挥退役电池的最大价值，一是环保方面，可避免大批量电池集中废弃拆解，降低环境污染程度；二是经济效益方面，可延长电池生命周期，让其产生二次收益，新能源汽车的造车成本也可分摊到梯次利用的收益中，从而助推整车造价的降低。由此将带来巨大的梯次利用潜市场价值，退役电池按照先梯次后再生的方式进行回收利用，据测算，到2025年市场规模合计将达379亿元（梯次282亿元，再生97亿元）（文中数据来源：五矿经济研究院）。

退役电池本身虽然不再适用于新能源汽车，但在其他储能应用领域具有相当高的价值，例如可用于储能、低速电动车、通信基站、输配电网调峰调幅等领域，所以梯次利用电池不仅不缺乏市场，甚至有望带动储能这个新兴市场的形成。然而，在梯次利用的实现上，仍然有不少问题值得我们探讨。

退役电池目前面临的痛点其中最主要的是电池性能检测技术难度较大且线下拆解检测成本较高，双方交易时，因距离、电池重量等问题导致无法快速了解电池性能，从而提升了交易成本，而且电池价值评估、利用场景的区分以及相应商业模式均尚未建立对应的标准。基于这些问题，我们提出了基于大数据的电池性能评估方法作为解决方案，如下将对工作进展进行介绍。

02 电池溯源管理工作进展

自2016年以来，动力蓄电池回收利用系列政策相继出台，构建了“顶层制度-溯源管理-行业规范-试点示范-事中事后监管”常态化工作机制，初步实现管控环节的全面覆盖。在工信部的指导下，北京理工大学电动车辆国家工程实验室建立了“新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台（以下简称“国家溯源管理平台”）”，平台官网于2018年8月1日正式上线试运行，该平台分为三个模块：新能源汽车车载管理模块、电池回收利用管理模块以及地方溯源履责监管模块，对动力蓄电池生产、销售、使用、报废、回收、利用等全过程进行信息采集，同时对各环节主体履行回收利用责任情况实施监测，是目前为止全球最大的动力电池回收利用+溯源监管平台，累计500万辆新能源车辆，800万个电池包信息，动力蓄电池溯源管理暂行规定采集数据87项，实现了信息共享、来源可查、去向可追、节点可控。

截止2020年11月底，已有789家溯源履责主体完成国家平台注册，共计有449家汽车生产企业完成车载管理模块注册，388家回收企业完成回收利用管理模块注册。同时随着履责主体的增加，为解决动力电池数据流转过程中出现的一些信息的遗漏、遗失、误报和错报，从2020年开始，探索基于区块链技术的全生命周期溯源信息的采集与上报，该平台将在2021年年初进行上线。

03 大数据驱动的电池性能评估

大数据驱动的电池性能评估方案为：线上评估系统+线下检测系统。首先，线上评估系统获取平台实时上传的动力电池和车辆运行数据，通过电池多维度性能评估算法和大数据智能分析技术，快速准确完成线上评估部分，并输出评估结果给线下检测系统。90%的电池包可以直接通过线上评估的方式判断为梯次利用或报废回收，这样就可以直接降低相当于传统检测手段90%的时间成本和费用投入。对于另外大约10%的电池包，将进行线下检测，线下检测系统通过三种检测设备（大型综合式检测设备、小型一站式检测设备和移动便携式检测设备）获取电池数据，对于获取的关键数据，使用线下电池健康分析模型，对来料电池进行更加精准的健康度分析，给出梯次利用或报废回收的检测结果。线下检测的优势在于高达99%的精度，并且可以定位到问题模组或单体。线上评估+线下检测的全新模式可以在保证高检测精度的同时，达到大规模、快速、低成本的（多，快，好，省）检测目标。

基于大数据开发经验，我们自行研发了三大评估算法：电池健康度评估、电池安全评估以及容量衰减度评估。从整个线上评估模块来看，只需要提交电池编码，可通过读取新能源汽车国家监测平台和动力电池溯源国家平台关于电池运行的历史数据，通过大数据智能分析技术、健康度分析评估技术、容量衰减监测评估技术以及电池安全性能分析评估技术，快速对整批电池进行评估，最终给出评估报告，包括电池性能的详细评估结果，以及性能分级。下面将分别介绍几大评估技术方案。

健康度评估，从单体层面，深挖衰退机理：电解液分解及反应、溶剂共嵌入、内部结构变化、粘接剂分解、集流体腐蚀或金属锂析出等；分析衰退原因：锂损失、电解液损失、阻抗升高、其他产生、石墨损失、超电势、隔膜破坏、电流电势不均等；总结衰退现象：容量衰减、功率衰减、内短路、机械老化等；这些特征再往上追溯就可以发现表征单体层面健康度的特征目标参数：内阻、SOC-OCV和自放电率、测算单体电芯衰退变化。掌握了这些特征就可以对单体层面的电池进行健康度评估。从整包层面，进行整包一致性特征选取，通过电池状态电压、电流及使用条件温度的一致性表征整包的一致性。健康度评估由特征标准数据库模块和电池健康评估算法模块两部分组成，基于新车数据，按车辆种类、电化学体系和充电截止电压进行分类，构建极化内阻、SOC-OCV、自放电率、电压一致性和温度一致性的特征标准数据库。基于车辆实时运行数据，提取与特征标准数据可对应的特征数据片段，完成车辆动力电池健康状态的准确评估。

安全评估，整体思路为基于新能源国家监测平台车辆上报数据，通过多维信息挖掘，建立安全风险评价体系，实现电池安全风险评估并以指数表征。安全评估统计模型运算是基于充放电过程中由于电池容量衰减、内阻增长差异性和不稳定性导致单体电压变化离散异常，采用熵值模型（利用滑窗（以50帧窗口时间为例）内数据，计算每个电池单体的熵值，进行差异性表征）、波动模型（波动一致性：采用电压去中位数原则建模，通过多帧数滑窗进行计算，实现异常辨识）和压降模型（压降一致性：计算每两帧之间所有单体的电压变化值，识别单体之间电压变化值的差异性）敏感识别差异性异常表征，通过多模型融合算法，提高异常识别辨识度。通过多维度电池运行安全风险评估体系分析，基于各个板块运算结果与安全风险程度的关联性分析，建立安全风险数字表征规则，实现电池系统风险评估。

容量衰减，方案框架为单次容量计算值影响因素多、稳定性差，不宜作为真值，考虑车辆充电深度、倍率、用车强度、环境温度等特征，对其历史容量计算值进行函数拟合，获取稳定性容量估计值。

线下抽检是基于线上评估结果，利用线下检测系统进行针对性抽样检测。线下检测设备，是基于动力电池容量增量分析法为核心的配套测试设备，包括电器连接，绝缘检测、电压电流检测、电池一致性检测、容量、内阻、电池异常的检验和电池系统产品一致性检测等。

依托大数据电池性能评估方案可实现多场景应用。首先通过对电池健康度、安全性，以及容量衰退方面的评估，可以衍生为车辆安全健康评分，车主驾驶安全预警的应用；其次示范中应用为新能源二手车评估，助力二手车残值评估输出电池评估报告；最后规划中的应用为电池交易平台，加速退役电池市场化发展，为电池回收标准提供大数据支撑。

04 基于大数据的交易评估体系

基于上述大数据电池性能评估技术，我们建立了一个电池交易平台，为上下游企业提供电池交易+行业信息+溯源认证+价值评估+线下检测+技术服务+整套解决方案等服务，致力于为用户提供一站式的电池交易服务。目前除了大数据电池性能评估，溯源认证的电池信息评估核实功能，为交易双方提供交易信息真实性保证，让交易更放心。电池交易流程为：卖家通过发布电池商品，买家通过发起求购信息，平台可通过大数据能力与线下配套服务，为买卖双方进行智能化匹配，实现交易过程中、商品信息清晰、电池性能准确、交易过程简单，整个交易过程均可通过线上来完成。交易平台未来的愿景是：促进动力电池回收产业规模，推动规划退役电池回收利用的行业标准以及实现新能源汽车可持续发展的绿色循环。

05 新能源电池回收专委会介绍

2020年7月9日，主管协会中国工业节能与清洁生产协会批复，同意成立新能源电池回收利用专业委员会，业务接受工信部节能与综合利用司及中国工业节能与清洁生产协会的监督指导。2020年7月29日, 新能源电池回收利用专业委员会在京举行工作启动会，致力于为政府当好参谋，为行业搭好平台，为企业做好服务，积极引导行业构建新能源汽车动力蓄电池回收利用体系，促进行业健康持续发展。

开展工作有：受工信部节能与综合利用司委托，组织开展新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范企业评审（企业名单已公示）；牵头成立新能源电池回收利用行业标准化工作组（已公示）；2020年11月5日组织召开国家电池溯源管理座谈交流会，来自新能源汽车主机厂、新能源电池生产、回收拆解、梯次利用及再生利用等20余家企业的50余名代表参加，共同探讨回收服务网点的回收体系建设、综合利用商业模式；2020年11月18日组织召开部分省市新能源电池回收利用协会联盟座谈交流会，全国七个省市的协会、联盟相关负责人近 20 名代表参加，联合各省市协会联盟，建立紧密型合作关系，明确企业、协会联盟、政府各方责权利，聚集力量，协同推动整个行业链，从行业层面推动地方企业信息采集，搭建行业交流平台。

专委会的业务范围包括6项基本研究：做好行业发展分析研究，为相关部门研究制定规划战略提供支撑；促进行业持续健康发展，推动企业规范发展，服务企业做大做强；构建动力电池回收利用产业体系，促进产业链协同创新绿色发展；推动行业标准化体系建设，组织开展标准项目的研制订修工作；完善国家电池溯源平台，做好行业大数据采集统计分析和研究；组织开展产学研联合，加速科技成果转化为现实生产力的步伐。