退役動(dòng)力蓄電池用于運(yùn)輸載具電源的可行性分析

余志坤，王天生，熊 釗

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

0 引言

新能源汽車的規(guī)模于2012年正式進(jìn)入大眾的視野，六年間在汽車市場(chǎng)上產(chǎn)銷量增加近100倍，而傳統(tǒng)汽車的產(chǎn)銷量近幾年增速放緩，預(yù)計(jì)我國(guó)新能源汽車到2020年有望超過(guò)210萬(wàn)輛，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]。

圖1 2012～2018年新能源汽車銷量圖

2018年1月26日，工信部等7部委發(fā)布《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，指出“落實(shí)生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度，汽車生產(chǎn)企業(yè)承擔(dān)動(dòng)力蓄電池回收的主體責(zé)任，相關(guān)企業(yè)在動(dòng)力蓄電池回收利用各環(huán)節(jié)履行相應(yīng)責(zé)任，保障動(dòng)力蓄電池的有效利用和環(huán)保處置”[2]。

一般情況下，鋰離子蓄電池的使用壽命在8年左右，當(dāng)蓄電池用舊只能充滿原有電容量80%的時(shí)候，就不再適合繼續(xù)在電動(dòng)汽車上使用[2]。由圖1可以得知，到2020年后新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)將會(huì)面臨大量的退役電池處理問(wèn)題，并且之后每年壓力都會(huì)增加，提前為退役電池找好合理、有效的回收利用渠道，形成完善的生產(chǎn)鏈，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

退役動(dòng)力電池梯次利用的場(chǎng)景有許多。國(guó)外有德國(guó)寶馬將改造后電池于家庭儲(chǔ)能、美國(guó)通用則重組電池后作為小區(qū)的備用能源；國(guó)內(nèi)梯次利用電池有由于充（換）電站、充電基站、純電動(dòng)電源車、快遞電動(dòng)三輪車等例子[3]；梯次利用的鋰電池體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)。因此本文主要研究退役動(dòng)力電池在公司運(yùn)輸載具上的再利用可行性，以緩解公司未來(lái)退役動(dòng)力電池的壓力。

1 載具鉛酸電池使用現(xiàn)狀

以本公司為例，載具主要是叉車與拖車，經(jīng)常性的需要運(yùn)送用于生產(chǎn)的物料，經(jīng)常需要一個(gè)班次11 h均處于運(yùn)行狀態(tài)。

電池類型是鉛蓄電池，鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是放電時(shí)電動(dòng)勢(shì)較穩(wěn)定，工作電壓平穩(wěn)、能充放電數(shù)百個(gè)循環(huán)、使用溫度及使用電流范圍寬、貯存性能好（尤其適于干式荷電貯存）、造價(jià)較低，因而應(yīng)用廣泛。

由表1可知近4年報(bào)廢的公司某一基地拖車與叉車用的鉛蓄電池壽命大多在23年，其中2015～2018年所有報(bào)廢電池總數(shù)達(dá)1 990個(gè)，平均壽命也只有2.35年，低于常規(guī)鋰電池的壽命。

表1 基地載具電池報(bào)廢數(shù)量與壽命統(tǒng)表

圖2 某叉車鉛酸電源圖

由于能量密度小，電池的體積很大，重達(dá)數(shù)百公斤，載具需要長(zhǎng)時(shí)間工作，不同于新能源汽車的充電樁方式充電，故采取的是當(dāng)電量在20%～30%時(shí)，司機(jī)會(huì)到專門的電池廠更換已經(jīng)充電完畢的電池，電池廠的電池是直接放于地上，使用燃油吊車進(jìn)行電池更換作業(yè)，由于鉛蓄電池的使用環(huán)境多樣，安全性有一定保證。

2 載具改用動(dòng)力蓄電池可行性分析

公司的新能源汽車電池種類均為磷酸鐵鋰電池，但是有4種不同品牌，文中選取主供應(yīng)商品牌的電池作為改造對(duì)象，改造電源用于兩類電拖車和一類電叉車。

2.1 改造電源安全性分析

鉛蓄電池的能量密度為較小為3 050 Wh/kg，耐碰撞，過(guò)充性能好，其主要危險(xiǎn)源是，電池充電末期或過(guò)充條件下，容易產(chǎn)生過(guò)多氣體（正極氧氣、負(fù)極氫氣），要么來(lái)不及從氣孔溢出，造成電池內(nèi)部高壓，引起爆炸；要么過(guò)充產(chǎn)生的氣體遇明火引起爆炸。由于電池的維護(hù)與充電屬于外包業(yè)務(wù)，因此電池在載具上使用時(shí)不會(huì)對(duì)配送員造成人身危險(xiǎn)[4]。

磷酸鐵鋰電池能量密度約在90～120 Wh/kg，在鋰電池中較小，但遠(yuǎn)超鉛蓄電池，這也意味著危險(xiǎn)性要高很多；2018年110月份新能源汽車事故30多起，電池起火主要是由于過(guò)充性能差，在充電時(shí)，不當(dāng)?shù)牟僮骰蛘唠娏鬟^(guò)大等都會(huì)導(dǎo)致電池溫度過(guò)高，若遇上劇烈碰撞，電芯內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，極易引發(fā)電池的自燃。

若改造為鋰電池電源后，無(wú)論是用吊車更換電池（會(huì)有很多磕磕碰碰、并且更換處為露天場(chǎng)地，無(wú)任何防護(hù)），還是安裝充電樁的方式，均會(huì)在廠內(nèi)造成安全隱患，因此需要為改造電池制訂出安全措施。

參照新能源汽車使用BMS板（電池管理系統(tǒng)），表2為擬定的安全等級(jí)下BMS所需開(kāi)發(fā)的相應(yīng)功能。其中電量估算是基礎(chǔ)的BMS板核心功能，包括電壓、電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用以進(jìn)行電量實(shí)時(shí)估算（避免過(guò)放電、過(guò)充充）、充放電電流實(shí)時(shí)保護(hù)；均衡控制有主動(dòng)與被動(dòng)之分，主要是增加梯次利用鋰電池的使用壽命。

表2 安全等級(jí)B MS板功能表

2.2 改造的動(dòng)力性能分析

改造電池安全性得到保證的前提下，為保證載具工作過(guò)程中的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電池的放電率、容量需要滿足改造前的額定功率、工作時(shí)間要求。

根據(jù)圖3、4，公司生產(chǎn)基地某月載具維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，鉛酸電池的平均放電率要小于0.25C，其瞬時(shí)放電率可達(dá)5C，若使用小于4 h，無(wú)法滿足載具工作要求，需要維修；80%容量磷酸鐵鋰電池持續(xù)放電率可以達(dá)到2C，瞬時(shí)可以達(dá)到20C[5]，梯次利用電池?zé)o疑在相同容量下，能持續(xù)輸出的功率大于原鉛酸電池。

圖3 叉車電瓶使用時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖4 拖車電瓶使用時(shí)間統(tǒng)計(jì)

因此當(dāng)相同容量的鋰電池體積能放入載具電池倉(cāng)內(nèi)，就能滿足載具正常工作。

考慮梯次利用電池容量會(huì)有所衰減，使用的是新鋰電池容量的75%進(jìn)行計(jì)算，由表3可知三種載具體積比均為容量比近2倍，這一定程度反應(yīng)能量密度的差別，因此可以確定載具電源改造能成功放入電池倉(cāng)，改造后的工作時(shí)間能滿足（注：表中鉛酸電池的容量測(cè)量5HR，而鋰電池測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為3HR，所以相同容量標(biāo)識(shí)下，鋰電池的實(shí)際容量是要大于鉛酸電池的）。

表3 載具尺寸與容量表

2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)濟(jì)效益分析主要包括改造前后成本對(duì)比分析，和一次性成本估算。

每種載具節(jié)約成本計(jì)算公式：

其中：P為電池的價(jià)格，g為載具所含電池?cái)?shù)，T為使用年限，n為該載具數(shù)量。

其中：kd為衰退補(bǔ)償系數(shù)，Pwg為每wh每年的改造成本，Ywh為改造后電池使用理想年限，V為鋰電池電壓，CAn該車型的容量。需要確定的參數(shù)有：Pwh、Twh、kd。

選用有70%～80%額定容量的梯次利用鋰電池，使用至50%就不能再載具上使用，目前尚無(wú)權(quán)威的梯次利用電池壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從電池本身、使用環(huán)境來(lái)初步確定，已知電池壽命衰減百分比理論公式[6]：

圖5 循環(huán)次數(shù)與電池耗損圖

實(shí)驗(yàn)選取1.872 kWh的鋰電池在想狀態(tài)下，損耗20%前可循環(huán)3 200次，損耗到50%時(shí)可循環(huán)16 900次；磷酸鐵鋰生產(chǎn)產(chǎn)品一致性差，梯次利用的即使經(jīng)過(guò)篩選仍無(wú)法避免，當(dāng)多個(gè)電池組裝后，電池組實(shí)際循環(huán)次數(shù)會(huì)減小，；參照新能源汽車上的2 000次循環(huán)，選取循環(huán)次數(shù)取修正系數(shù)2，載具電池平均取工作6 h更換，每天工作兩班取22 h；梯次利用理想壽命（單位：年）：

衰減系數(shù)kd為使用時(shí)的壽命衰減因素，主要與安全等級(jí)相關(guān)，擬定為表4。

表4 衰減系數(shù)對(duì)照表

溫度與均衡充電對(duì)壽命衰減系數(shù)較大。

電池梯次利用成本為新電池購(gòu)置成本的20%，新電池成本：1.8元/Wh，且國(guó)家規(guī)定2020年電池成本降至1元/Wh以下。本文保守估計(jì)取新電池的30%作為電池改造成本即=0.48元/Wh。擬采取安全等級(jí)為三級(jí)，那么每年改造收益如表4。

選取改造后載具安全等級(jí)為三級(jí)，表5中7類運(yùn)輸載具電源改造后每年能節(jié)約130多萬(wàn)元；載具總數(shù)219，每個(gè)BMS板1500元，假設(shè)每年報(bào)廢20%，電池改造完后，需要根據(jù)電池倉(cāng)進(jìn)行進(jìn)一步改造，每臺(tái)改造費(fèi)取4000元；BMS板開(kāi)發(fā)項(xiàng)目費(fèi)用60萬(wàn)（BMS板、電池倉(cāng)改造、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)費(fèi)用均是基于安全等級(jí)3級(jí)的條件下確定的）。可以算出收回成本的時(shí)間為：

表5 載具電源改造后效益分析表

可以看出一年半公司就可以收回成本，并且之后每年可以節(jié)約120萬(wàn)的成本。廠內(nèi)載具電源改造可行。

3 總結(jié)

根據(jù)廠內(nèi)物料運(yùn)輸載具的現(xiàn)狀，討論新能源汽車梯次利用鋰電池改造為鉛蓄電池的可行性；從電池安全、動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合分析能為公司創(chuàng)造利益，可行性高。