电动汽车锂离子电池拆解及梯次利用的经济分析①
吴战宇1,2,姜庆海1,2,朱明海1,张孝杰2,沙树勇1
(1.华富(江苏)锂电新技术有限公司,江苏扬州 225600;2.江苏华富储能新技术股份有限公司,江苏扬州 225600)
摘要:本文通过对电动小货车用动力锂离子电池组的分析,研究了从电池组到电芯的整个拆解和分选过程以及各步骤所需的成本。同时,从电池组,模块及电芯三个层级分析了不同等级梯次利用的成本和优缺点。结果表明,电池拆解过程中成本最高的环节是从模组拆解为电芯,占整个拆解成本的34.05%;电池组层级梯次利用的成本最低,为5.97元/kWh,但应用范围有限;电芯层级梯次利用的成本最高,为16.31元/kWh,但可靠性和灵活性较好。通过对电池拆解和梯次利用的经济性进行分析,有助于研究梯次利用的经济可行性。
关键词:电动汽车;锂离子电池;拆解;梯次利用;经济分析
中图分类号:TM911  文献标识码:A  文章编号:1008-7923(2020)03-0130-07
Economic Analysis of Electric Vehicle Lithium
-ion Batteries
Disassembling and Reutilization
WU Zhan-yu1,2,JIANG Qing-hai 1,2,ZHU Ming-hai 1,ZHANG Xiao-jie2,SHA Shu-yong1(1.Huafu(Jiangsu)Lithium Battery High Technology Co.,Ltd.,Yangzhou,Jiangsu Province,225600,China.2.Huafu High Technology Energy Storage Co.,Ltd.,Yangzhou,Jiangsu Province,225600,China.)
Abstract:In this paper,through the analysis of the power lithium-ion battery for EV truck,thewhole disassembling and grouping process from the battery to cell and the cost of each step arestudied.At the same time,the cost,advantages and disadvantages of different levels ofreutilization are analyzed from thr
ee levels:battery,module,and cell.The results show that themost expensive part of the process is disassembling modules to cells,accounting for 34.05%ofthe total disassembling cost;battery level reutilization s cost is lowest,5.97yuan/kWh,but withthe limited application;cell level reutilization s cost is highest,16.31yuan/kWh,but thereliability and flexibility are better.The analysis of the economy of battery disassembling and reu-tilization is helpful in studying the economic feasibility of reutilization.
Keywords:Electric vehicle;Lithium-ion batteries;Disassembling;Reutilization;Economic analysis
1 引言
前言近年来,我国新能源汽车产业发展十分迅速。2018年的新能源汽车的产销量分别为127万辆和125.6万辆[1],2019年产销量虽略有下降,但仍分别完成124.2万辆和120.6万辆[2]。根据国家标准[3],电池进行标准循环寿命测试时,循环次数达到500次时放电容量应不低于初始容量的90%,或者循环次数达到1 000次时放电容量应不低于初始容量的80%。因此,容量衰减情况是电池是否需要进行
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:27316838@qq.com
更换的指标之一。电动汽车制造商建议,当电池的健康状态(SOH)变为初始SOH的70%~80%时,应当更换电池[4],从而避免影响汽车的正常使用。一般情况下,在汽车使用的第五至第八年或行驶10万公里以上的时候[5],电池需要更换。
当这些电池达到替换条件时,会有大量的退役动力电池等待处理。为了增加这些退役电池的使用寿命和剩余价值,梯次利用[6]的处理方式应运而生。目前,梯次利用动力电池主要应用于通讯和储能[7]等固定领域。梯次利用具有两个明显的优势:一是开辟了一个新的行业领域,即电池回收利用行业,其最大的作用是可以影响电池的初始价格,降低电动汽车的售价;二是减小了环境的压力,可
以在一定程度上减缓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选过程的相关操作以及操作过程所需要的成本,从而对电池拆解和梯次利用的经济性进行分析,说明动力锂离子电池在梯次利用过程中的潜在经济效益。
2 材料及方法
2.1 电池组
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 battery.
项目总电量额定
容量
额定
电压
成组
方式
模块
数量
重量
技术
参数
42.6kWh 120Ah 355.2V4P96S4 384kg  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,达到了替换条件。
2.2 拆解过程的成本核算
由于目前没有电池组拆解的自动化设备,因此整个拆解过程是手工完成的。在整个过程中,劳动力成本和工作时间按如下设定进行核算:
单个劳动力成本=25元/小时;工作条件及防护要求复合《GB/T18384.2-2015电动汽车安全要求第2部分:操作安全和故障防护》和《GBT18384.3-2015电动汽车安全要求第3部分:人员触电防护》的要求[12,13];由于拆解过程使用手工工具,因此机器及电力成本较低,可以忽略不计;其他设施费用暂不考虑。
春节期间高速公路免费的时间2022年2.3 电池组处置方法
拆解处理是电动汽车电池全生命周期(图1)中的一个重要组成部分,主要包括四个环节:一、从电动汽车上卸下电池;二、电池评估;三、将电池拆解为模组;四、将模组拆解为电芯。
图1 电动汽车锂离子电池的全生命周期
Fig.1 The complete life cycle of electric vehicle
lithium-ion batteries.
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行使用。因此,上述四个步骤具体实施时会有所不同。本文电池组的整个拆解处置过程如图2所示。
图2 电池组的拆解和处置过程
Fig.2 Disassembling and disposal process of the battery.
2.3.1 从电动汽车上卸下电池
电池处置的第一步是从电动小货车上卸下电池组,本电池的拆卸主要分为以下几个步骤:
1、汽车准备:将汽车档位至于P档并拔出车钥匙,保证整车高压连接断开;再用拖车将车辆的驱动轮抬起,以缓慢的速度将其拖动至操作工位。
2、断开电池组连接:电动小货车上分为高压供电系统和低压供电系统,首先断开低压供电系统的电池以保证安全;第二,低压供电系统断开后,DC/DC变压器将不再工作。此时系统供电停止,同时BMS、VCU、MCU等控制器均进入断电模式,电池系统的高压回路断开,自动完成高压系统断电。
3、提升货斗:小货车的货斗是可以提升的,电池组位于驾驶室后方的货斗下方,电池组装在具有保护和固定功能的电池仓内。
4、开仓取出电池组:打开电池仓后,可以看见整个电池组及其连线。电池组外部的连接器包括主接触器、均衡口、手动维修开关、电池通讯插座、电池正负极插座等。在安全防护条件下,依次断开各连接线及接地线。最后,将电池组外部的拉手与小型吊装平台的抓手连接牢固,并缓慢将电池组移除电池仓。2.3.2 电池组评估
电池组移除电池仓后,需要对其进行必要的评估,以判断其是否符合进行梯次利用的条件。与动力电池的常规测试不同,梯次利用前的评估相对较为宽松,不包括热失控、过充及过放等破坏性测试,以免影响其再利用。退役电池的评估主要聚焦电池组的当前状态,并以此决定该电池组可以直接成组再利用还是进行进一步的拆解。
电池组的评估分为以下几个步骤:
1、外观检查:检查电池组是否存在变形、腐蚀、漏液及破损等不良情况。如果外观检查合格,方可进行电池组评估的后续步骤。否则,应对电池组进行拆解,进行报废及材料回收处理[14]。
2、电性能检测:将电池组连接到充放电柜后,按照《GB/T31647.2-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第2部分:高能量应用测试规程》[15]中的7.1.2和7.2.2项进行测试。首先进行蓄电池容量测试,以1C(120A)恒电流在25℃条件下进行充放电;其次测试其功率及内阻,以I’max(SOC,T,t)=120A进行电池组脉冲测试。
3、最终检查:测试完毕后,再次检查电池组是否存在变形、腐蚀、漏液及破损等不良情况。外观检查无异常后,方可进行电池组后续的梯次利用步骤。2.3.3 将电池拆解为模组
电池组经过评估,符合梯次利用的基本要求后,可以整组进行使用。但在这里为了更详细地说明整个电池组的详细拆解过程,因此进行进一步的拆解。从电池组到模组的拆解过程主要包括:
1、打开电池组外壳:电池组外壳的上盖与壳体由35颗M14螺丝固定。由于上盖与壳体之间没有封胶,因此卸去全部外部螺丝后,即可开启上盖。打开上盖之后,可以发现四个串联使用的模组及相应的模组控制器(CMC)、电池接线盒(BJB)、电池管理系统(BMS)、预充电路及接线等。
2、拆卸电气部件:首先,断开BJB与电池正负极和低压接线的连接,同时移除模块的串联母线;第二,分别断开四个模块的CMC传感和通信线路,移除四个CMC;第三,移除BMS及预充电路。
3、模组拆卸:四个模组被螺丝固定在壳子的周围和底部,并有固定部件。依次移除螺丝、固定部件及模组周围的缓冲材料后,可将四个模组分别取出。2.3.4 将模组拆解为电芯
电池组拆解的最后一步是将模组拆解为电芯,这里要注意的是:首先,电池模块为4P24S,其电压为88V左右,高于安全电压,因此在拆解过程中应注意人员的防护;第二,在拆卸的过程中应小心使用工具,以避免破坏电芯、造成危险。电芯的拆解过程主要包括:
1、拆除模组外壳上盖:每一个模组的外壳是由金属外框架和若干塑料内框组成,其由若干铆钉和螺丝固定在一起。用手转和其他工具除去铆钉和螺丝后,即可拆除模组外壳的上盖。
2、拆除传感器及连接线:模组中的每个电芯都有连向CMC的信号线,同时在模组的一侧具有温度感应线。为了不破坏电芯的极耳焊接,需要直接剪断模组中的所有传感器线和连接线。
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3、拆除底部外壳:底部金属部件与塑料内框之间也是由铆钉和螺丝固定在一起的。用拆除上盖同样的方法除去这些铆钉和螺丝后,底部外壳也可拆除。
4、电芯拆卸:当外部结构全部去除后,可以看到整个模组内电芯组的结构。这些电芯通过汇流板串并联焊接在一起,电芯之间有塑料内框和隔离材料。同时,可以看到电芯组外部和内部各有两个温度传感器。用绝缘的陶瓷剪刀依次将每个电芯的正负极耳剪断,取出单体电芯,并在电芯的极耳外部套上保护套管。2.4 梯次利用前评估
当电池组的电芯全部拆卸完成后,需要对其外观及电性能进行评估,以保证其在进行梯次利用时能有效进行配组。电芯的评估分为以下几个步骤:1、外观检查:逐个检查电芯是否存在变形、腐蚀、
电池工业        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
漏液及破损等不良情况。如果外观检查合格,方可进行电性能检测。否则,应对电芯进行报废及材料回收处理。
2、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求及试验方法》[16]中的6.2.5进行室温容量测试,放电电流为30A;其次,将电芯的荷电态调整至50%,记录其开路电压;最后,在室温条件下用内阻仪测量其内阻。
3、最终检查:测试完毕后,再次检查电芯是否存在变形、腐蚀、漏液及破损等不良情况。
3 结果与讨论
3.1 拆解过程经济性分析
本部分主要讨论从电池组到电芯整个拆解过程的经济分析结果。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
大众r
Table 2 Cost analysis of the entire battery pack disassembling process.
拆解环节步骤所需人数单位时间(min/人)总时间(min)成本(元)
从电动汽车上卸下电池
汽车准备1 5 5 2.08断开电池组连接1 8 8 3.33提升货斗1 10 10 4.16开仓取出电池组3 30 90 37.50
小计53 113 47.07
电池组评估
外观检查2 15 30 12.5电性能检测1 300 300 125最终检查2 15 30 12.5
小计330 360 150.00
将电池拆解为模组打开电池组外壳2 45 90 37.50拆卸电气部件2 75 150 62.50模组拆卸2 60 120 50.00
小计180 360 150.00
将模组拆解为电芯
拆除模组外壳上盖2 35 70 29.17拆除传感器及连接线2 80 160 66.67拆除底部外壳2 40 80 33.33电芯拆卸4 30 120 50.00
小计185 430 179.17总计748 1263 526.24
  表2详细统计了电池四个拆解环节中各步骤所需的人数、消耗的工时及相应的成本。为了进一步分析,将表2中的各步骤的成本数据转换为各拆解环节中所占的百分比,可以得到图3。首先,在卸下电池环节中,开仓取出电池组的步骤所占成本最高,为该环节总成本的79.67%,这是因为此步骤所需的人数达到3人,耗时也是最长的。其次,在电池组评估环节中,显而易见电性能检测比任何其他步骤的耗时都要大得多。但为了有效掌握电池组的整体状态并能够顺利进行梯次利用,电性能检测的步骤是比不可少的,因此这个步骤的成本投入不可避免。第三,在电池拆解为模组环节,拆卸电气部件的成本最高,其他两个步骤的成本基本相当。第四,在模组拆解环节,成本最高的是拆除传感器及连接线,其次是电芯拆卸步骤。
通过对表2和图3的分析,可以发现:1、在电池组进行拆解之前,从车上取出电池组的成本最高。
这与车上电池组的安装方式、所采用的结构及需要拆卸的螺丝数量等有直接关系。2、电池组评估步骤的必要投入是不可避免的,除非有更快速有效的评估方法。3、电池组拆解过程中,涉及电气部件拆解的步骤占用的成本较高。在这些步骤中,需要操作人员既具
第24卷第3期               电池工业
Chinese BatteryIndustry             2020年6月
图3 拆解环节中各步骤成本所占的比例.
(a)从电动汽车上卸下电池;(b)电池组评估;
(c)将电池拆解为模组;(d)将模组拆解为电芯
Fig.3 Cost Proportion per step of the disassembling process.(a)Removing the battery from EV truck;(b)Battery assessment;
(c)Disassembling battery to modules;
(d)Disassembling modules to cells.
有安全操作基本常识又要具有一定的电气操作技能。如果退役电池组的电气部件功能越多,则所需的拆卸成本则相应也会越高。4、电芯拆卸所耗成本与整个电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。3.2 梯次利用的经济性分析
3.2.1 电池组及电芯评估结果
表3 电池组评估结果
Table 3 Result of battery assessment.
项目结果
劳斯莱斯车标
外观检查无异常
容量(Ah)93
全过程放电内阻(mΩ)4.5
全过程充电内阻(mΩ)5.1
最终检查无异常
  表3总结了电池组的评估结果,电池组在测试前后的外观均无异常。其容量为93Ah,为电池组初始容量的77.5%。其全过程放电与充电内阻分别为4.5mΩ及5.1mΩ,由于没有电池组的原始全过程内阻数据进行比较,因此这两项数值可作为参考。
表4总结了电芯的评估结果及电芯的配组情况。电池组共拆解出电芯384只,其外观都是正常的。但想要进行电芯级别的梯次利用,则需要根据其容量、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 cells.
容量范围(C,Ah)容量中值(Ah)电芯数量可配组数量总容量(Ah)总电量(kWh)23.4≤C<23.5 23.45 25 24 562.80 2.08
23.3≤C<23.4 23.35 89 88 2 054.80 7.60
23.2≤C<23.3 23.25 158 158 3 673.50 13.60
23.1≤C<23.2 23.15 70 69 1 597.35 5.91
23.0≤C<23.1 23.05 42 36 829.80 3.07合计384 375 8718.25 32.26
  首先,以23.05~23.45Ah五个容量中值、0.1Ah的容量差进行容量分组,可以将全部电芯分为5个容量组。容量在23.25Ah中值范围内的电芯数量为158只,23.35Ah中值范围内的数量为89只,23.15Ah中值范围内的数量为70只,这三者的数量和为总电芯数量的89.6%。23.45Ah及23.05Ah中值范围内的数量分别为25只和42只。路虎汽车
其次,根据50%SOC开路电压和内阻对5组电芯进行配组。根据厂内标准要求,电芯之间的开路电压差≤10mV,内阻值<2mΩ,不同组电芯不得混用。共剔除电芯9只,剩余可配组的5组电芯共计375只,电芯利用率为97.7%。这些电芯的总电量为32.26kWh。
3.2.2 经济性分析
根据表2的数据,可以得到各拆解环节所占的成本占比,如图4所示。四个拆解环节中,占成本最高的是电芯拆解部分,比例达到34.05%,最低的是卸下电池部分,为8.94%。整个过程中,电池组评估是比不可少的,但是如果在回收电池之前,电池制造商或汽车制造商能提供电池组的容量、历史循环数据及SOH等重要信息,将利于缩短电池评估时间,降低梯次利用的成本。
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