基于AnyLogic的車用鋰電池回收模型仿真

鄭春燕，張 海，郭 棟,王 娟，李春棟

(1.山東理工大學(xué) 管理學(xué)院，山東 淄博 255012；2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

自從2009年實(shí)行新能源汽車“十城千輛工程”以來(lái)，全國(guó)新能源汽車的市場(chǎng)份額不斷提高，由此而帶來(lái)大量電動(dòng)汽車廢舊電池亟需回收處理[1]。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，報(bào)廢量將達(dá)到20萬(wàn)t，累計(jì)報(bào)廢量50萬(wàn)t;2024年前后，動(dòng)力電池報(bào)廢量將達(dá)到34萬(wàn)t，累計(jì)報(bào)廢量將達(dá)到116萬(wàn)t[2]。針對(duì)電池回收的問題，《電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用技術(shù)政策(2015年版)》正式明確建立動(dòng)力電池編碼制度和可追溯體系；在資金激勵(lì)措施上，國(guó)家在現(xiàn)有資金渠道內(nèi)對(duì)梯級(jí)利用企業(yè)和再生利用企業(yè)的技術(shù)研發(fā)、設(shè)備進(jìn)口等方面給予支持；在技術(shù)研發(fā)方面，國(guó)家支持動(dòng)力蓄電池相關(guān)回收利用技術(shù)和裝備的研發(fā)[3]。七部委印發(fā)的《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》(工信部聯(lián)節(jié)[2018]43 號(hào))提出落實(shí)生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度、政府引導(dǎo)與市場(chǎng)相結(jié)合、設(shè)立廢舊動(dòng)力電池回收處理基金等多方面行業(yè)發(fā)展建議[4]。由于我國(guó)的電動(dòng)汽車起步相對(duì)較晚，動(dòng)力電池回收利用網(wǎng)絡(luò)尚未啟動(dòng)，電池企業(yè)及相關(guān)儲(chǔ)能企業(yè)在動(dòng)力電池回收業(yè)務(wù)上大多剛剛布局，因此亟需盡快制定實(shí)施與當(dāng)前電動(dòng)汽車發(fā)展相適應(yīng)的電池回收網(wǎng)絡(luò)模型。

目前關(guān)于廢舊電池回收研究可以分為兩類：(1)對(duì)于徹底不能恢復(fù)使用的報(bào)廢電池的研究，核心內(nèi)容是對(duì)電池電極材料中有價(jià)金屬進(jìn)行回收；(2)對(duì)于還有殘余容量的電池的再利用研究，重點(diǎn)是對(duì)已經(jīng)使用過(guò)并且額定容量下降至80%左右的電池進(jìn)行重新檢測(cè)、分選、組合、再利用[5]。依據(jù)電池的發(fā)展情況和市場(chǎng)環(huán)境需求，未來(lái)電池回收再利用必將向著綜合利用以及多樣化處理的方向發(fā)展。

本文建立互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)+服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)模型，建立線上線下全方位服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線上查詢、線下回收流通，構(gòu)建國(guó)家級(jí)信息化平臺(tái)，建立專門的回收管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；建立以大型電池生產(chǎn)企業(yè)為龍頭的聯(lián)合經(jīng)銷商和回收利用企業(yè)的專業(yè)化回收網(wǎng)絡(luò)，有利于電池生產(chǎn)的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化；利用銷售途徑建立逆向物流回收網(wǎng)絡(luò)，依靠法律政策明確回收網(wǎng)絡(luò)中各環(huán)節(jié)主體的責(zé)任，保證回收網(wǎng)絡(luò)切實(shí)高效可行；最后用AnyLogic軟件在理想狀態(tài)下對(duì)模型進(jìn)行仿真。

1 電池回收模型建立

1.1 電動(dòng)汽車鋰電池回收模型

本文所建立的回收路徑網(wǎng)絡(luò)模型在運(yùn)行過(guò)程中，詳細(xì)記錄動(dòng)力電池從生產(chǎn)、使用、回收、梯級(jí)利用的全生命周期過(guò)程，構(gòu)建過(guò)程可查核、可測(cè)量的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回收網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一監(jiān)管，為各項(xiàng)制度的制定提供可靠的數(shù)據(jù)支持。各電池銷售點(diǎn)同時(shí)也是回收點(diǎn)，消費(fèi)者將電池送往回收點(diǎn)，再由回收點(diǎn)經(jīng)回收網(wǎng)絡(luò)送往回收中心，回收中心要做檢測(cè)，一部分報(bào)廢分解，一部分進(jìn)入梯級(jí)利用企業(yè)，一部分經(jīng)過(guò)修復(fù)后再進(jìn)入電動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)，這是一種基于動(dòng)力電池的生產(chǎn)、消耗、回收和資源再利用的全生命周期模型[6]，所建回收模型如圖1所示。

圖1 電池回收路徑網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 The path network schematic diagram of battery recycling

1.2 各方責(zé)任以及技術(shù)要求

相關(guān)部門要研究制定回收行業(yè)的準(zhǔn)入條件，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，用法規(guī)制度明確各環(huán)節(jié)的責(zé)任主體[7]。生產(chǎn)者有義務(wù)在產(chǎn)品的全生命周期的整個(gè)過(guò)程中承擔(dān)環(huán)保責(zé)任；各銷售商有責(zé)任對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)行回收；加強(qiáng)企業(yè)、媒體的宣傳教育，讓廣大消費(fèi)者認(rèn)識(shí)到廢舊動(dòng)力電池對(duì)環(huán)境和人體健康危害的嚴(yán)重性，增強(qiáng)消費(fèi)者的環(huán)保意識(shí)，使消費(fèi)者積極參與廢舊動(dòng)力電池的回收處理過(guò)程中；回收中心承擔(dān)廢舊電池的檢測(cè)、分類、拆解等工作[8]；回收監(jiān)測(cè)中心對(duì)回收的廢舊電池容量進(jìn)行鑒定。如果電池容量高于80%，則送往電池生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行修復(fù)處理；如果電池容量低于80%高于30%，則運(yùn)往梯級(jí)利用企業(yè)再利用；如果電池容量低于30%，就運(yùn)往分解處理中心用環(huán)保的方式進(jìn)行分解處理，回收有價(jià)值的原材料。

2 電池回收模型仿真

2.1 AnyLogic軟件基本介紹

目前基于Agent的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)建模有AnyLogic、Swarm等仿真平臺(tái)，其中AnyLogic平臺(tái)是應(yīng)用最廣泛的平臺(tái)之一。它是在復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)仿真多主體軟件工具集，其功能模型庫(kù)完整，功能強(qiáng)大，可以模擬物理系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)或社會(huì)系統(tǒng)，且為開源軟件，較為適合研究性工作的開展，是一個(gè)靈活、高效、可靠的仿真環(huán)境，目前在經(jīng)濟(jì)、交通、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9]。AnyLogic軟件不僅涵蓋了建模的全周期所需要的各種功能和要求，還具有二維以及完善的三維模型顯示功能。Agent作為自主的個(gè)體，在一定目的驅(qū)動(dòng)下，具有對(duì)自身行為和內(nèi)部狀態(tài)的自我控制能力，能夠不受人或其他Agent的直接干預(yù)。為建立科學(xué)合理的廢舊電池回收模式，本文選取AnyLogic平臺(tái)進(jìn)行基于多智能體的廢舊電池回收模型仿真開發(fā)。

2.2 回收模型仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置

在該模型的建立仿真過(guò)程中，首先在理想狀態(tài)下做出假設(shè)：(1)統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，近年來(lái)電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量相差較小，因此假設(shè)電池生產(chǎn)廠商的產(chǎn)銷平衡，不存在滯銷現(xiàn)象；(2)在國(guó)家宏觀調(diào)控下建立并運(yùn)行該模型，文中提到的政策和技術(shù)可以在相應(yīng)的場(chǎng)合順利應(yīng)用；(3)只考慮電池生產(chǎn)商為供給電動(dòng)汽車運(yùn)行而生產(chǎn)的電池量，不考慮用于通訊、新能源儲(chǔ)能等其他領(lǐng)域的電池；(4)假設(shè)電動(dòng)汽車的壽命為120個(gè)月，電池的壽命為40個(gè)月；(5)假設(shè)電池只在達(dá)到使用壽命時(shí)才報(bào)廢，忽略因其他因素導(dǎo)致的電池報(bào)廢的情況。

在理想狀況下，電池與電動(dòng)汽車按3∶1的比例生產(chǎn)，由電動(dòng)汽車2016年年產(chǎn)量80 000輛，得到電動(dòng)汽車電池年產(chǎn)量為240 000塊，即每周生產(chǎn)4 615塊。為分析方便，將數(shù)據(jù)按比例縮小200倍，即設(shè)電池單體初始值有1 200塊，模型每一步長(zhǎng)代表一周，一周生產(chǎn)率為24塊，在產(chǎn)銷平衡情況下電池生產(chǎn)數(shù)量等于運(yùn)往下一級(jí)的數(shù)量。數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)得到2017年電池的生產(chǎn)量為420 000塊，按比例縮小200倍得到年產(chǎn)量為2 100塊，之后每年都按相同比例增長(zhǎng)；因?yàn)榧僭O(shè)電池壽命為40個(gè)月，則設(shè)置處于電動(dòng)汽車上的步長(zhǎng)為171，運(yùn)往汽車制造商的電池比例為1/3，剩余的運(yùn)往各銷售商；1年按52周計(jì)，設(shè)置520個(gè)步長(zhǎng)可得到10年中相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果。

模型參數(shù)設(shè)置如圖2 所示。其他主要的參數(shù)還包括：

1)My_New_Flag：記錄該電池是新電池還是二次電池，在動(dòng)力電池進(jìn)入in_Bat_Retailer_Recycle后，由于分銷商具有回收機(jī)制，故根據(jù)該參數(shù)判斷此電池是新電池還是廢棄的電池，從而決定進(jìn)入回收中心還是繼續(xù)配送給車輛。

圖2 模型參數(shù)設(shè)置Fig.2 Setting model parameter

2)2nd_Car_Maker：經(jīng)過(guò)修復(fù)后再次進(jìn)入到汽車供應(yīng)商之中的電池。

3)增長(zhǎng)率為每個(gè)步長(zhǎng)41塊，電池生產(chǎn)商生產(chǎn)的電池按1∶2的比例分別運(yùn)往汽車制造商和分銷商處，回收中心的處理方式按1∶1∶1的比例將回收的電池分別送往汽車制造商、梯級(jí)利用企業(yè)以及報(bào)廢拆解處理。

2.3 基于AnyLogic的電池回收模型仿真

模型構(gòu)建基本思想為：電池生產(chǎn)商生產(chǎn)出來(lái)的電池一部分運(yùn)往電動(dòng)汽車生產(chǎn)商，一部分運(yùn)往電池總經(jīng)銷商，然后通過(guò)各分銷商零售商賣往全國(guó)各地的消費(fèi)者。本模型中，假定一個(gè)步長(zhǎng)模擬現(xiàn)實(shí)生活中的一周，模擬10年的時(shí)間共執(zhí)行520步，其他的參數(shù)設(shè)置如2.2節(jié)所述。

設(shè)定電池有8個(gè)狀態(tài)，每個(gè)模型運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)在仿真二維圖、三維圖中都用不同的顏色顯示，狀態(tài)圖中主要采用兩種方式進(jìn)行狀態(tài)遷移的驅(qū)動(dòng)：基于時(shí)間Timeout(即到達(dá)一定時(shí)間后發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變)與基于速率Ratio(即按一定速度發(fā)生狀態(tài)變化)，各個(gè)變量的取值由主界面中的對(duì)應(yīng)參數(shù)配置根據(jù)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)確定，其初始值可通過(guò)調(diào)節(jié)bar區(qū)域中的滑塊控件來(lái)進(jìn)行設(shè)置，動(dòng)力電池狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 動(dòng)力電池的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 Fig.3 The state transition diagram of power battery

模型設(shè)置一個(gè)動(dòng)力電池智能體(H_Battery)，采用該智能體的狀態(tài)變遷模擬單一動(dòng)力電池的全生命周期變化情況，通過(guò)該智能體的數(shù)量變化分析規(guī)?；膭?dòng)力電池發(fā)展與需求。系統(tǒng)主要包括以下狀態(tài)：

1)In_Bat_Maker：電池處于電池生產(chǎn)商的狀態(tài)，藍(lán)色；

2)In_Car_Maker：電池處于電動(dòng)汽車生產(chǎn)商的狀態(tài)，綠色；

3)In_Car：電池處于電動(dòng)汽車的狀態(tài)，黃色；

4)In_Bat_Retailer_Recycle：電池處于電池分銷商/回收商的狀態(tài)，深綠；

5)In_Bat_Recycle_Center：電池處于回收中心的狀態(tài)，深灰綠；

6)In_Disposed：電池處于被丟棄的狀態(tài)，深灰色；

7)In_Secondary：電池處于梯級(jí)利用狀態(tài)，磚紅色；

8)Removed：電池被移除模型，即電池報(bào)廢分解掉，并對(duì)有用資源完成回收，淺灰色。

每塊動(dòng)力電池在產(chǎn)生后，都會(huì)有一個(gè)編碼，從h_Batteries[0]開始編碼，想要查詢電池某一時(shí)刻的狀態(tài)，可以在狀態(tài)欄的h_Batteries[..]后輸入要查詢的編碼，該電池對(duì)應(yīng)的狀態(tài)會(huì)在狀態(tài)圖中顯示出來(lái)，通過(guò)對(duì)電池編碼實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)到回收全過(guò)程可追溯。

3 仿真結(jié)果分析

利用AnyLogic軟件的智能體理論，對(duì)所建立的回收路徑網(wǎng)絡(luò)模型在理想狀態(tài)下進(jìn)行仿真，分析各主要指標(biāo)的變化規(guī)律。

如圖4所示，該模型中電池應(yīng)用途徑的時(shí)間點(diǎn)包括4個(gè)階段：在模型建立的初期即前3年報(bào)廢的電池、梯級(jí)利用的電池以及再次恢復(fù)使用的電池都比較少，回收效果不明顯；在模型實(shí)施的中期即在第3～4年回收再利用的電池?cái)?shù)量急劇增加，電池修復(fù)再利用、梯級(jí)利用、報(bào)廢處理的電池量各占總量的約1/3；在第4～7年初期變化平緩，之后回收增速加快；在模型實(shí)施的后期即在第7～10年回收模型進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 電池應(yīng)用途徑時(shí)間點(diǎn)Fig.4 The time point of battery application

出現(xiàn)4個(gè)階段的原因在于：在前3年，由于模型建立之初新電池的比例較大，并沒有形成有效的回收路徑，故回收效果不明顯；在第3～4年，由于模型初期電池已到達(dá)規(guī)定的使用壽命(40個(gè)月)，可以進(jìn)行正規(guī)檢測(cè)并合理分配流向，以各1/3的比例流向報(bào)廢、修復(fù)再利用、梯級(jí)利用三個(gè)途徑；在第4～7年由于新的一輪電池循環(huán)開始，初期變化平緩，之后回收增速加快；在第7～10年，由于進(jìn)入恢復(fù)翻新過(guò)程的電池比例增多，電池生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)新電池的量相應(yīng)減少，從而使電池總量的增速相對(duì)平穩(wěn)，但總電池的供應(yīng)量仍能滿足目前的市場(chǎng)需求，說(shuō)明回收模型實(shí)施效果比較好。

4 結(jié)論

本文建立電動(dòng)汽車鋰電池回收模型，應(yīng)用AnyLogic軟件智能體理論在理想狀況下對(duì)模型進(jìn)行仿真，結(jié)論如下：

1)該模型在相關(guān)政策與技術(shù)的支持下，基于生產(chǎn)者責(zé)任制，通過(guò)各經(jīng)銷商和龍頭生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合建立回收中心，符合基于生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度的“污染付費(fèi)”原則，也有構(gòu)建全國(guó)性回收網(wǎng)絡(luò)的能力。

2)相關(guān)部門對(duì)所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)環(huán)節(jié)提出政策建議，明確各個(gè)主體的責(zé)任，為電動(dòng)汽車鋰電池實(shí)現(xiàn)良好的回收利用提供技術(shù)支撐。

3)建立以互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)+服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)電池實(shí)行編碼制度，且在互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上實(shí)時(shí)記錄并可以查詢電池從生產(chǎn)、使用、回收、再利用、報(bào)廢的整個(gè)生命全周期的過(guò)程。

4)運(yùn)用AnyLogic對(duì)電池全生命周期進(jìn)行仿真，結(jié)果表明建立的回收模型能夠使循環(huán)使用的電池大幅增加，顯著減少新電池投入使用和廢舊電池產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車廢舊電池良好的回收利用。