退役電動汽車充電設(shè)施拆解技術(shù)研究進(jìn)展

陳 龍，徐觀明，陳 進(jìn)，王九飆

（湖南綠色再生資源有限公司，長沙 410699）

近年來，隨著數(shù)字信息化、人工智能化的發(fā)展，新能源汽車產(chǎn)業(yè)飛速前進(jìn)，作為與新能源汽車相配套的新型基礎(chǔ)設(shè)施，充電設(shè)施被納入新基建七大領(lǐng)域之一。根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2022 年上半年，我國新增充電樁130 萬臺，已累計建成充電樁392 萬臺，形成全球規(guī)模最大的充電基礎(chǔ)設(shè)施，其中，公共充電樁增量同比上漲199.2%，私人充電樁數(shù)量同比上升390.1%。截至2022 年7 月，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施累計數(shù)量為398.0 萬臺，同比增加97.5%。預(yù)計2045 年電動車滲透率達(dá)100%，電動車達(dá)3 600 萬輛/年。假設(shè)車樁比在2030 年達(dá)到1 ∶1，則2060 年充電樁總數(shù)將超過5 億個。

隨著國家鼓勵政策的出臺，充電設(shè)施大幅增加，目前，樁車增量之比為1.0 ∶2.1，充電設(shè)施作為發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要保障[1]，規(guī)模和速度沒有跟上整車的發(fā)展步伐，與國家規(guī)劃目標(biāo)（車樁比達(dá)到1 ∶1）相比還有較大差距。因此，充電樁的建設(shè)也進(jìn)入快速發(fā)展期來適應(yīng)新能源汽車的更新?lián)Q代。這導(dǎo)致前期所制造的充電樁使用接口、頻率、配置、性能等達(dá)不到要求，須進(jìn)行報廢處理。此外，首批建設(shè)的電動汽車充電設(shè)施服役至今已超過10 年，開始批量進(jìn)入退役階段，因此規(guī)范化回收拆解充電設(shè)施將成為新能源汽車全產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展不可或缺的一環(huán)。

1 退役電動汽車充電設(shè)施拆解的必要性

我國自2009 年正式啟動新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略的全面布局，充電設(shè)施是新能源汽車配套的基礎(chǔ)設(shè)施。充電設(shè)施主要由內(nèi)部元器件、外殼殼體、連接裝置及電線電纜等組成。內(nèi)部元器件包括電源模塊、電路板、計費控制單元、顯示屏、熔斷器、繼電器及防雷設(shè)備等，在拆解過程中可能產(chǎn)生粉塵和噪聲污染。特別是被列入《國家危險廢物名錄（2021 年版）》的電路板，在資源化過程中可能產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，不當(dāng)?shù)牟鸾夥绞綍斐森h(huán)境污染，同時危害工人身體健康[2]。退役充電樁進(jìn)行報廢拆解時，可進(jìn)行各個元器件的評估，回收后可將其處理后重復(fù)利用，比如，電池被物理分離得到鈷、鋰、錳、鎳等后，可重復(fù)使用。

廢舊充電樁零部件蘊含大量的鋁、鐵、銅（含電纜）、線路板以及模塊組件等，均可再生利用，拆解后高值部件的價值合計約3 萬元/臺[3]。質(zhì)量上，交流充電樁為7～20 kg/個，直流充電樁為100～420 kg/個。以某型號的充電樁為例，其拆解產(chǎn)物及占比如表1 所示。廢舊充電樁中，有價值產(chǎn)物品類豐富，若將該數(shù)據(jù)作為參考，按每年拆解萬臺退役充電樁計算，每年可回收各類資源500 t，其中，鐵有300 t，銅有100 t，鋁有50 t，塑料有50 t。由此可見，若實現(xiàn)退役充電設(shè)施的拆解回收，可產(chǎn)生積極的環(huán)境效益，同時帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 充電樁拆解產(chǎn)物和占比

2 退役充電設(shè)施拆解回收現(xiàn)狀

近年來，隨著國家乃至全球?qū)δ茉春铜h(huán)境越來越重視，各國都在大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)。退役充電設(shè)施主要分為交流充電樁和直流充電樁。交流充電樁一般采用小電流，樁體較小，安裝靈活，充滿電一般需要6 ～8 h，適用于小型乘用電動車。直流充電樁一般采用大電流，相比交流充電樁，其短時間內(nèi)充電量更大，樁體較大，占用面積較大（散熱），服役周期為7 ～15 年。隨著新能源汽車充電樁產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和技術(shù)的更新迭代，首批建設(shè)的充電設(shè)施開始批量進(jìn)入退役階段，但國內(nèi)退役充電樁回收渠道不健全，報廢后的拆解與再利用技術(shù)研究很少，退役充電設(shè)施的處理基本由廢品回收企業(yè)回收并進(jìn)行人工拆解，其處置過程為粗放式。

為避免大規(guī)模回收拆解充電設(shè)施造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，廣東省標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會在2021 年4 月聯(lián)合廣東邦普循環(huán)科技有限公司、中國電器科學(xué)研究院股份有限公司等單位聯(lián)合制定了《退役電動汽車充電設(shè)施回收拆解技術(shù)規(guī)范》（T/GDBX 042—2021），為電動汽車充電設(shè)施的回收拆解提供技術(shù)指導(dǎo)，涉及退役充電設(shè)施回收拆解過程的術(shù)語和定義、一般要求、場地要求、人員要求、作業(yè)流程等，其中作業(yè)流程包括預(yù)處理、外部拆解、箱體拆解，還涉及貯存和管理要求、安全環(huán)保要求等多項內(nèi)容。在退役充電設(shè)施的拆解回收處理過程中，應(yīng)參照該標(biāo)準(zhǔn)全面考慮，這對落實退役電動汽車充電設(shè)施的資源回收、保護(hù)環(huán)境有積極意義。

3 退役充電設(shè)施拆解工藝

為減少環(huán)境污染，促進(jìn)資源再生利用，有必要開展退役充電設(shè)施的拆解研究，分析退役充電設(shè)施拆解回收現(xiàn)狀，對拆解模型、拆解序列規(guī)劃等方面進(jìn)行探索。主要拆解模型有無向圖模型、與或圖模型、有向圖模型、混合圖模型、Petri 網(wǎng)模型等[4-6]，主要評價指標(biāo)包括拆解特征、拆解影響因素、拆解序列規(guī)劃[7-8]等。通過對拆解過程的研究，實現(xiàn)退役充電設(shè)施拆解序列規(guī)劃。

從拆解特征看，充電設(shè)施服役過程中，電子元器件的磨損、劃痕、變形、腐蝕、維修、替換等原因造成元器件狀態(tài)不確定。比如，電路板長期使用后，存在腐蝕、劃痕、裂紋、燒毀、污漬等特征，增加了人工拆解工位任務(wù)的不確定性。因此，在對退役充電設(shè)施拆解之前，必須對其拆解信息有充分掌握。

從拆解影響因素看，主要有連接類型、結(jié)構(gòu)特性、拆解工具、待拆狀態(tài)、操作人員素質(zhì)[9]。通過開展充電設(shè)施拆解試驗，連接類型有卡扣、螺釘、背膠、轉(zhuǎn)軸等，待拆狀態(tài)有元器件磨損、劃痕、腐蝕等因素評價指標(biāo)。分析充電設(shè)施拆解過程的主要影響因素，加深對充電設(shè)施拆解過程的理解，更加高效地解決充電設(shè)施拆解的相關(guān)問題。元器件的拆卸過程歸根結(jié)底是元器件解除約束的過程。

拆解序列規(guī)劃是根據(jù)退役產(chǎn)品中元器件的結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系，生成滿足一定約束條件和目標(biāo)的元器件拆解序列的過程。對于拆解強度大、元器件數(shù)目較多的退役充電設(shè)施，其拆解序列不是唯一的，而人工拆解需要投入大量時間，且元器件缺陷識別的出錯率高。余海軍等[10]提出一種充電樁自動化拆解裝備及方法（見圖1），通過多個機械手臂實現(xiàn)對關(guān)鍵器件的切割、分離，基本實現(xiàn)充電樁的連續(xù)式批量拆解，但很難保證模塊無損拆解。因此，有必要對充電設(shè)施的拆解序列進(jìn)行規(guī)劃，確定充電設(shè)施的合理拆解工藝。

圖1 充電樁自動化拆解裝備

針對某款直流充電樁進(jìn)行拆解試驗，拆解以人工結(jié)合工裝工具方式進(jìn)行。拆解后，常規(guī)結(jié)構(gòu)包括高壓艙、低壓艙、模塊艙、充電槍、控制單元和殼體等，如表2 所示。樁體內(nèi)部是各類電子器件，包括電流互感器、繼電器等，外殼主要由液晶面板和塑料件組成，充電槍部分主要由插頭、電線和各類塑料制件構(gòu)成。進(jìn)一步拆解，得到各種拆解產(chǎn)物。

表2 充電樁組成

總結(jié)退役產(chǎn)品拆解研究和人工拆解退役充電設(shè)施的實踐經(jīng)驗，可通過人工拆解、基于機器視覺的自動拆解、移動拆解車等共同完成退役充電設(shè)施拆解。系統(tǒng)主要由信息采集、模塊拆解以及信號處理等模塊構(gòu)成，拆解序列規(guī)劃以模塊化拆解為主?；跈C器視覺的自動拆解設(shè)備可以拆除價值高、易拆解的固定件，揀出易抓取的關(guān)鍵器件，再對內(nèi)部各功能模塊逐一拆除和分揀，不同類別的物料通過皮帶線輸送至分揀區(qū)。這就需要研究充電設(shè)施的關(guān)鍵零部件分揀技術(shù)，將機械手臂抓取和人工抓取相結(jié)合，完成產(chǎn)物的分離及分類收集。同時，開展充電設(shè)施關(guān)鍵器件的精準(zhǔn)檢測與再利用技術(shù)研究，建立關(guān)鍵器件的可靠性評價模型和可再利用性評估體系。目前，國內(nèi)外退役電動汽車充電設(shè)施拆解回收及再利用的研究很少，拆解設(shè)備、拆解工藝和回收處置規(guī)范化等方面都亟待突破。一是規(guī)范回收市場，健全回收渠道，確保廢舊產(chǎn)品流向正規(guī)回收拆解企業(yè)；二是研究整機自動化無損拆解技術(shù)，研究關(guān)鍵元器件識別與檢測，研究回收利用模式及污染控制技術(shù)規(guī)范，替代人工拆解，防止二次污染；三是加快出臺再生資源利用標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)和推進(jìn)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康快速發(fā)展。

4 結(jié)語

近年來，我國電動汽車行業(yè)發(fā)展迅速，充電設(shè)施日趨多樣，部分已進(jìn)入退役階段，需要進(jìn)行合理拆解。這就需要準(zhǔn)確把握充電設(shè)施拆解回收現(xiàn)狀，加強拆解工藝研究。但是，我國退役充電設(shè)施回收渠道不健全，回收拆解企業(yè)尚未形成完善的處理體系。未來，要加強政策引領(lǐng)，以企業(yè)為主導(dǎo)，加快研究退役電動汽車充電設(shè)施回收拆解技術(shù)，規(guī)范回收市場，健全回收渠道，創(chuàng)新回收利用模式，制定污染控制技術(shù)規(guī)范和再生資源利用標(biāo)準(zhǔn)，完善退役充電設(shè)施回收拆解體系，使拆解回收更加規(guī)范有序。