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EV truck,thewhole disassembling and grouping process from the battery to cell and the cost of each step the same time,the cost,advantages and disadvantages of different levels ofreutilization are analyzed from three levels:battery,module,and results show that themost expensive part of the process is disassembling modules to cells,accounting for %ofthe total disassembling cost;battery level reutilizations cost is lowest,,but withthe limited application;cell level reutilizations cost is highest,,but thereliability and flexibility are analysis of the economy of battery disassembling and reu-tilization is helpful in studying the economic feasibility of :Electric vehicle;Lithium-ion batteries;Disassembling;Reutilization;Economic analysis1 引言准[3],电池进行标准循环寿命测试时,循环次数达到前言近年来,我国新能源汽车产业发展十分迅500次时放电容量应不低于初始容量的90%,或者循速。2018年的新能源汽车的产销量分别为127万辆环次数达到1 [1],2019年产销量虽略有下降,但仍分的80%。因此,[2]。根据国家标①作者简介:吴战宇(1983-),男,辽宁人,高级工程师,主要从事化学电源及新能源研究。Email:******@ 第24卷第3期Chinese BatteryIndustry2020年6月更换的指标之一电动汽车制造商建议,当电池的健本和工作时间按如下设定进行核算:康状态(OH)变为初始SOH的70%80%时,应单个劳动力成本=25元/小时;工作条件及防护当更换电池[4],从而避免影响汽车的正常使用。一般要求复合《GB/-2015电动汽车安全要求情况下,在汽车使用的第五至第八年或行驶10万公第2部分:操作安全和故障防护》和《-里以上的时候[5],电池需要更换。2015电动汽车安全要求第3部分:人员触电防护》的当这些电池达到替换条件时,会有大量的退役动要求[12,13];由于拆解过程使用手工工具,因此机器及力电池等待处理。为了增加这些退役电池的使用寿电力成本较低,可以忽略不计;其他设施费用暂不命和剩余价值,梯次利用[6]的处理方式应运而生。目考虑。前,梯次利用动力电池主要应用于通讯和储能[7] 电池组处置方法定领域。梯次利用具有两个明显的优势:一是开辟了拆解处理是电动汽车电池全生命周期(图1)中一个新的行业领域,即电池回收利用行业,其最大的的一个重要组成部分,主要包括四个环节:一、从电动作用是可以影响电池的初始价格,降低电动汽车的售汽车上卸下电池;二、电池评估;三、将电池拆解为模价;二是减小了环境的压力,可以在一定程度上减缓组;四、将模组拆解为电芯。退役电池的直接材料回收工序[8]。但在进行梯次利用之前,需要对退役电池进行必要的处理,否则可能会在进一步应用中产生不可预期的问题。目前梯次利用的经济分析研究[9-11]主要是从理论的角度上证明梯次电池在固定应用中的可行性。然而,很少有研究从经济的角度来评估从动力电池退役到投入梯次利用所需的工作。事实上,拆解和修复锂离子电池的成本分析十分必要。本文以三元材料软包电芯为基础的电动汽车电池组为实例,研究了从电池组到电芯的整个拆解和分图1 电动汽车锂离子电池的全生命周期选过程的相关操作以及操作过程所需要的成本, plete life cycle of electric vehicle对电池拆解和梯次利用的经济性进行分析,说明动力lithium-ion 。在具体进行梯次利用时,根据实际使用要求不同,有时会以模组为单位,而有时会以电芯为单位进材料及方法行使用。因此, 电池组同。本文电池组的整个拆解处置过程如图2所示。电池组来自于某型号电动小货车,其主要参数如表1所示。表1 试验电池组主要技术参数Table 1 Main technical parameters of test 120Ah 384kg参数 该电池组采用的是三元材料软包电芯,无加热系统和冷却系统,在拆解之前在电动小货车上已经服役3年,容量已经衰减为初始容量的78%左右,达到了图2 电池组的拆解和处置过程替换条件。 Disassembling and disposal process of the 从电动汽车上卸下电池由于目前没有电池组拆解的自动化设备,因此整电池处置的第一步是从电动小货车上卸下电池个拆解过程是手工完成的。在整个过程中,劳动力成组,本电池的拆卸主要分为以下几个步骤: 吴战宇等:电动汽车锂离子电池拆解及梯次利用的经济分析 Chinese BatteryIndustry汽车准备:将汽车档位至于P档并拔出车钥个电池组的详细拆解过程,因此进行进一步的拆解。匙,保证整车高压连接断开;再用拖车将车辆的驱动从电池组到模组的拆解过程主要包括:轮抬起,以缓慢的速度将其拖动至操作工位。1、打开电池组外壳:电池组外壳的上盖与壳体由2、断开电池组连接:电动小货车上分为高压供电35颗M14螺丝固定。由于上盖与壳体之间没有封系统和低压供电系统,首先断开低压供电系统的电池胶,因此卸去全部外部螺丝后,即可开启上盖。打开以保证安全;第二,低压供电系统断开后,DC/DC变上盖之后,可以发现四个串联使用的模组及相应的模压器将不再工作。此时系统供电停止,同时BMS、组控制器(CMC)、电池接线盒(BJB)、电池管理系统VCU、MCU等控制器均进入断电模式,电池系统的(BMS)、预充电路及接线等。高压回路断开,自动完成高压系统断电。2、拆卸电气部件:首先,断开BJB与电池正负极3、提升货斗:小货车的货斗是可以提升的,电池和低压接线的连接,同时移除模块的串联母线;第二,组位于驾驶室后方的货斗下方,电池组装在具有保护分别断开四个模块的CMC传感和通信线路,移除四和固定功能的电池仓内。个CMC;第三,移除BMS及预充电路。4、开仓取出电池组:打开电池仓后,可以看见整3、模组拆卸:四个模组被螺丝固定在壳子的周围个电池组及其连线。电池组外部的连接器包括主接和底部,并有固定部件。依次移除螺丝、固定部件及触器、均衡口、手动维修开关、电池通讯插座、电池正模组周围的缓冲材料后,可将四个模组分别取出。负极插座等。在安全防护条件下, 将模组拆解为电芯及接地线。最后,将电池组外部的拉手与小型吊装平电池组拆解的最后一步是将模组拆解为电芯,这台的抓手连接牢固,并缓慢将电池组移除电池仓。里要注意的是:首先,电池模块为4P24S,,高于安全电压,因此在拆解过程中应注意电池组移除电池仓后,需要对其进行必要的评人员的防护;第二,在拆卸的过程中应小心使用工具,估,以判断其是否符合进行梯次利用的条件。与动力以避免破坏电芯、造成危险。电芯的拆解过程主要电池的常规测试不同,梯次利用前的评估相对较为宽包括:松,不包括热失控、过充及过放等破坏性测试,以免影1、拆除模组外壳上盖:每一个模组的外壳是由金响其再利用。退役电池的评估主要聚焦电池组的当属外框架和若干塑料内框组成,其由若干铆钉和螺丝前状态,并以此决定该电池组可以直接成组再利用还固定在一起。用手转枪和其他工具除去铆钉和螺丝是进行进一步的拆解。后,即可拆除模组外壳的上盖。电池组的评估分为以下几个步骤:2、拆除传感器及连接线:模组中的每个电芯都有1、外观检查:检查电池组是否存在变形、腐蚀、漏连向CMC的信号线,同时在模组的一侧具有温度感液及破损等不良情况。如果外观检查合格,方可进行应线。为了不破坏电芯的极耳焊接,需要直接剪断模电池组评估的后续步骤。否则,应对电池组进行拆组中的所有传感器线和连接线。解,进行报废及材料回收处理[14]。3、拆除底部外壳:底部金属部件与塑料内框之间2、电性能检测:将电池组连接到充放电柜后,按也是由铆钉和螺丝固定在一起的。用拆除上盖同样照《GB/-2015电动汽车用锂离子动力蓄的方法除去这些铆钉和螺丝后,底部外壳也可拆除。电池包和系统第2部分:高能量应用测试规程》[15]中4、电芯拆卸:当外部结构全部去除后,。首先进行蓄电池容量整个模组内电芯组的结构。这些电芯通过汇流板串并测试,以1C(120A)恒电流在25℃条件下进行充放联焊接在一起,电芯之间有塑料内框和隔离材料。同电;其次测试其功率及内阻,以’max(SOC,T,t)=时,可以看到电芯组外部和内部各有两个温度传感器。120A进行电池组脉冲测试。用绝缘的陶瓷剪刀依次将每个电芯的正负极耳剪断,3、最终检查:测试完毕后,再次检查电池组是否取出单体电芯,并在电芯的极耳外部套上保护套管。存在变形、腐蚀、漏液及破损等不良情况。 梯次利用前评估无异常后,方可进行电池组后续的梯次利用步骤。当电池组的电芯全部拆卸完成后, 将电池拆解为模组及电性能进行评估,以保证其在进行梯次利用时能有电池组经过评估,符合梯次利用的基本要求后,效进行配组。电芯的评估分为以下几个步骤:可以整组进行使用。但在这里为了更详细地说明整1、外观检查:逐个检查电芯是否存在变形、腐蚀、 第24卷第3期Chinese BatteryIndustry2020年6月漏液及破损等不良情况如果外观检查合格,方可进其内阻。行电性能检测。否则,应对电芯进行报废及材料回收3、最终检查:测试完毕后,再次检查电芯是否存处理。在变形、腐蚀、漏液及破损等不良情况。、电性能检测:将电芯连接到充放电柜,按照《GB/T31486-2015电动汽车用动力蓄电池性能要结果与讨论求及试验方法》[16], 拆解过程经济性分析电电流为30A;其次,将电芯的荷电态调整至50%,本部分主要讨论从电池组到电芯整个拆解过程记录其开路电压;最后,在室温条件下用内阻仪测量的经济分析结果。具体结果如表2所示。表2 电池组整个拆解过程的成本分析Table 2 Cost analysis of the entire battery pack disassembling (min/人)总时间(min)成本(元)汽车准备1 5 5 8 8 10 10 30 90 113 15 30 300 300 125最终检查2 15 30 360 45 90 75 150 60 120 360 35 70 80 160 40 80 30 120 430 1263 表2详细统计了电池四个拆解环节中各步骤所池拆解为模组环节,拆卸电气部件的成本最高,其他需的人数、消耗的工时及相应的成本。为了进一步分两个步骤的成本基本相当。第四,在模组拆解环节,析,将表2中的各步骤的成本数据转换为各拆解环节成本最高的是拆除传感器及连接线,其次是电芯拆卸中所占的百分比,可以得到图3。首先,在卸下电池环步骤。节中,开仓取出电池组的步骤所占成本最高,为该环通过对表2和图3的分析,可以发现:1、%,这是因为此步骤所需的人数达组进行拆解之前,从车上取出电池组的成本最高。这到3人,耗时也是最长的。其次,在电池组评估环节与车上电池组的安装方式、所采用的结构及需要拆卸中,显而易见电性能检测比任何其他步骤的耗时都要的螺丝数量等有直接关系。2、电池组评估步骤的必大得多。但为了有效掌握电池组的整体状态并能够要投入是不可避免的,除非有更快速有效的评估方顺利进行梯次利用,电性能检测的步骤是比不可少法。3、电池组拆解过程中,涉及电气部件拆解的步骤的,因此这个步骤的成本投入不可避免。第三,在电占用的成本较高。在这些步骤中, 吴战宇等:电动汽车锂离子电池拆解及梯次利用的经济分析 Chinese BatteryIndustry池组所采用的模组数量及电芯规格和数量相关,如果整个电池组的模组数量越多、电芯单体数量越多(单体容量越小),则电芯拆卸所需的成本也越高。 电池组及电芯评估结果表3 电池组评估结果Table 3 Result of battery (Ah)93全过程放电内阻(m)(mΩ). 表3总结了电池组的评估结果,电池组在测试前a)从电动汽车上卸下电池;(b)电池组评估;后的外观均无异常。其容量为93Ah,为电池组初始(c)将电池拆解为模组;(d)%。 Cost Proportion per step of the disassembling ,(a)Removing the battery from EV truck;(b)Battery assessment;(c)Disassembling battery to modules;阻数据进行比较,因此这两项数值可作为参考。(d)Disassembling modules to 。有安全操作基本常识又要具有一定的电气操作技能电池组共拆解出电芯384只,其外观都是正常的。但如果退役电池组的电气部件功能越多,则所需的拆卸想要进行电芯级别的梯次利用,则需要根据其容量、成本则相应也会越高。、电芯拆卸所耗成本与整个电50%SOC开路电压和内阻进行分容配组。表4 电芯评估结果及配组情况Table 4 Assessment result and grouping situation of (C,Ah)容量中值(Ah)电芯数量可配组数量总容量(Ah)总电量(kWh)≤C< 25 24 ≤C< 89 88 2 ≤C< 158 158 3 ≤C< 70 69 1 ≤C< 42 36 375 首先,~、,%。这些电芯的总电量的容量差进行容量分组,。量组。 经济性分析只,,,可以得到各拆解环节所占的成值范围内的数量为70只,这三者的数量和为总电芯本占比,如图4所示。四个拆解环节中,%。,%,最低的是卸下数量分别为25只和42只。电池部分,%。整个过程中,电池组评估是比其次,根据50%SOC开路电压和内阻对5组电不可少的,但是如果在回收电池之前,电池制造商或芯进行配组。根据厂内标准要求,电芯之间的开路电汽车制造商能提供电池组的容量、历史循环数据及压差≤10mV,内阻值<2mΩ,不同组电芯不得混用。SOH等重要信息,将利于缩短电池评估时间,降低梯共剔除电芯9只,剩余可配组的5组电芯共计375次利用的成本。 第24卷第3期Chinese BatteryIndustry2020年6月 表指出了不同梯次利用层级所需的成本从电池组层级到电芯层级,随着拆解的不断深入,单元电量的成本也会不断增加。如果在电池层级上进行梯次利用,,而且其BMS系统也可以重新使用。但其缺点是,首先其运输、安装和使用较为复杂,还需要考虑安全性问题;其次,其应用领域受到限制,一般情况下,电池组的整体梯次利用只能用于中大型储能系统,而且需要各电池组的性能和状态保持一致;第三,在梯次利用时需要增加新的电子及通讯接口,这是因为车辆与梯次利用领域图各拆解环节的成本占比的通讯协议很可能是不一致的。 Cost Proportions of the disassembling 不同梯次利用层级的成本分析Table 5 Cost analysis of different reutilization (kWh)从电动汽车上卸下电池电池组评估将电池拆解为模组将模组拆解为电芯(元)(元/kWh) -- - 在模块层级进行梯次利用,其单位成本为的平衡;同时可行性、。在梯次利用时,模块之间可通过串联考虑的。虽然拆卸成本会随着层级深入而升高,但电和并联实现多种规格。虽然,模组梯次利用需要设计芯层级的梯次利用更可靠、更广泛、更灵活,报废概率新的BMS系统,增加一些额外成本,但会增加梯次利也是最低的。因此,其潜在的经济效益是很可观的。用的适应性和可靠性。但模块利用也有一些问题,比如不同的电池组的模块容量和电芯种类不同,必须使4 结论用相同厂家生产的相同状态模块进行使用;此外,模电动汽车电池退役后,可以将其进行梯次利用到块的准备和处理时间更多、所需成本更高、设计新的其他领域。本文以电动小货车用锂离子电池组为例,BMS也会增加时间和成本。着重分析了三元材料软包电芯为基础的电池组在梯次在电芯层级进行梯次利用时,需要对电芯进行筛利用前的拆卸和分析过程的成本。从汽车到电芯的整选。筛选标准不同,最终的可用电量、可用电芯数量个拆卸过程分为从电动汽车上卸下电池、电池组评估、及单位成本也不同。在计算这一部分的成本时,并未将电池拆解为模组和将模组拆解为电芯四个环节,其将电芯筛选的成本纳入其中,这是因为不同厂家的电中成本最高的环节为电芯拆解环节,总耗时430min,费芯筛选和标准方式存在差异。本文中,。四个环节中,前两个环节是必不可少的。。由于采用的是厂内标准,电池组本身的结构复杂程度和功能繁简程度决剔除了部分不合格电芯,因此电芯经过筛选后的可用定了拆卸和梯次利用的成本高低。梯次利用分为电电量有所降低。与电池组和模组层级相比,电芯层级池组级、模块级和电芯级三个层级,随着层级的不断的梯次利用可以更有效掌握每个电芯的外观、容量、内深入,所需的成本也不断增加。选择哪个层级取决于阻、开路电压等关键数据,在梯次利用时可以保证电芯梯次利用成本与收益之间的平衡。电池组层级的梯的一致性和安全性,有效增加梯次利用电池的可靠性次利用成本最低,但应用领域有限。模组层级的梯次和安全性;此外,电芯层级的梯次利用市场更加广泛,利用成本居中,组合更加灵活。电芯层级的梯次利用从中大型储能系统、小型储能系统到后备电源系统等成本最高,但安全性和可靠性较高,应用最为广泛。都可应用。但这一层级的利用成本也是最高的。值得注意的是,市场上的电动汽车电池所使用的通过以上的分析可知,选择在哪一层级进行梯次电芯结构种类除了软包外,还有圆柱结构及方形结构利用的关键是,寻找到梯次利用所需成本和收益之间等,因此模组的组装(PACK) 吴战宇,等:电动汽车锂离子电池拆解及梯次利用的经济分析 Chinese BatteryIndustry差别不同结构的电芯及组装工艺会相应地使模组and Assessments,2014,8:9-。但整个电[6] [J].池组在梯次利用前的基本操作环节是类似的。此外,储能科学与技术,2017,6(2):243-,主要包括三元材料、磷酸铁锂[7] 许弈飞,[,材料、锰酸锂材料及负极钛酸锂材料等。不同种类电究J].科技与创新2018,(09):111-112.[],,芯的梯次利用的领域和价值也不同,回收价值同样不8 BOBBA SMATHIEUX FBLENGINI G willsecond-use of batteries affect stocks and flows in the同,应该从电池组梯次利用所产生的效益和电芯直接EUA model for traction Li-ion batteries[J].Resources,拆解回收有色金属[7]两个角度进行比较,选择经济Conservation and Recycling,2019,145:279-。[9] 黎华玲,陈永珍,宋文吉,,随着电池组标准化设计的不断提升以及电收模式及经济性分析[J].新能源进展,2018,6(06):505-,电池回收利[10]DENG -ion batteries:Basics,progress,and challenges[J].用的成本会发生更大的变化。Energy Science &Engineering,2015,3:385-418.[11]谢英豪,余海军,欧彦楠,[J].电源技术,2017,41(4):644-646.[]/,电动汽车安全要求第部分:操作1],张铜柱,唐剑骁,-20152安全和故障防护[]研究[J].环境科学与管理,2019,44(6):169-.[]/,电动汽车安全要求第部分:人员[2] :%13GBT -20153触电防护[]%[EB/OL].http://finance./a/S.[],,,,2020-01- QMU MZHAO Set assessment[3] GB/T31484-2015,电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求and classification of retired lithium ion battery from elec-及试验方法[S].tric vehicles for energy storage[J].International Journal[4] TONG S J,FUNG T,MATTHEW P,et Hydrogen Energy,2017,42(30):18817- reusing electric vehicle battery for solar energy storage[15]GB/-2015,电动汽车用锂离子动力蓄电池包和and demand side management[J].ournal of Energy系统第2部分:高能量应用测试规程[S].Storage,2017,11:200-210.[16]GB/T31486-2015,电动汽车用动力蓄电池性能要求及试[5]AHMADI L,FOWLER M,YOUNG S B,et ef-验方法[S].ficiency of Li-ion battery packs re-used in stationary[17]王天雅,宋端梅,贺文智, applications[J].Sustainable Energy Technologies技术及经济效益分析[J].上海节能,2019,(10):814-