退役动力蓄电池用于运输载具电源的可行性分析

2019-08-15余志坤王天生

装备制造技术 2019年6期

关键词：载具梯次锂电池

余志坤，王天生，熊钊

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；2.武汉理工大学，湖北武汉 430000）

0 引言

新能源汽车的规模于2012年正式进入大众的视野，六年间在汽车市场上产销量增加近100倍，而传统汽车的产销量近几年增速放缓，预计我国新能源汽车到2020年有望超过210万辆，市场规模不断扩大[1]。

图1 2012～2018年新能源汽车销量图

2018年1月26日，工信部等7部委发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，指出“落实生产者责任延伸制度，汽车生产企业承担动力蓄电池回收的主体责任，相关企业在动力蓄电池回收利用各环节履行相应责任，保障动力蓄电池的有效利用和环保处置”[2]。

一般情况下，锂离子蓄电池的使用寿命在8年左右，当蓄电池用旧只能充满原有电容量80%的时候，就不再适合继续在电动汽车上使用[2]。由图1可以得知，到2020年后新能源汽车生产企业将会面临大量的退役电池处理问题，并且之后每年压力都会增加，提前为退役电池找好合理、有效的回收利用渠道，形成完善的生产链，提高企业的竞争力。

退役动力电池梯次利用的场景有许多。国外有德国宝马将改造后电池于家庭储能、美国通用则重组电池后作为小区的备用能源；国内梯次利用电池有由于充（换）电站、充电基站、纯电动电源车、快递电动三轮车等例子[3]；梯次利用的锂电池体积小、循环寿命长。因此本文主要研究退役动力电池在公司运输载具上的再利用可行性，以缓解公司未来退役动力电池的压力。

1 载具铅酸电池使用现状

以本公司为例，载具主要是叉车与拖车，经常性的需要运送用于生产的物料，经常需要一个班次11 h均处于运行状态。

电池类型是铅蓄电池，铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，工作电压平稳、能充放电数百个循环、使用温度及使用电流范围宽、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。

由表1可知近4年报废的公司某一基地拖车与叉车用的铅蓄电池寿命大多在23年，其中2015～2018年所有报废电池总数达1 990个，平均寿命也只有2.35年，低于常规锂电池的寿命。

表1 基地载具电池报废数量与寿命统表

图2 某叉车铅酸电源图

由于能量密度小，电池的体积很大，重达数百公斤，载具需要长时间工作，不同于新能源汽车的充电桩方式充电，故采取的是当电量在20%～30%时，司机会到专门的电池厂更换已经充电完毕的电池，电池厂的电池是直接放于地上，使用燃油吊车进行电池更换作业，由于铅蓄电池的使用环境多样，安全性有一定保证。

2 载具改用动力蓄电池可行性分析

公司的新能源汽车电池种类均为磷酸铁锂电池，但是有4种不同品牌，文中选取主供应商品牌的电池作为改造对象，改造电源用于两类电拖车和一类电叉车。

2.1 改造电源安全性分析

铅蓄电池的能量密度为较小为3 050 Wh/kg，耐碰撞，过充性能好，其主要危险源是，电池充电末期或过充条件下，容易产生过多气体（正极氧气、负极氢气），要么来不及从气孔溢出，造成电池内部高压，引起爆炸；要么过充产生的气体遇明火引起爆炸。由于电池的维护与充电属于外包业务，因此电池在载具上使用时不会对配送员造成人身危险[4]。

磷酸铁锂电池能量密度约在90～120 Wh/kg，在锂电池中较小，但远超铅蓄电池，这也意味着危险性要高很多；2018年110月份新能源汽车事故30多起，电池起火主要是由于过充性能差，在充电时，不当的操作或者电流过大等都会导致电池温度过高，若遇上剧烈碰撞，电芯内部会出现短路现象，极易引发电池的自燃。

若改造为锂电池电源后，无论是用吊车更换电池（会有很多磕磕碰碰、并且更换处为露天场地，无任何防护），还是安装充电桩的方式，均会在厂内造成安全隐患，因此需要为改造电池制订出安全措施。

参照新能源汽车使用BMS板（电池管理系统），表2为拟定的安全等级下BMS所需开发的相应功能。其中电量估算是基础的BMS板核心功能，包括电压、电流实时监测，用以进行电量实时估算（避免过放电、过充充）、充放电电流实时保护；均衡控制有主动与被动之分，主要是增加梯次利用锂电池的使用寿命。

表2 安全等级B MS板功能表

2.2 改造的动力性能分析

改造电池安全性得到保证的前提下，为保证载具工作过程中的正常运转，电池的放电率、容量需要满足改造前的额定功率、工作时间要求。

根据图3、4，公司生产基地某月载具维护统计数据来看，铅酸电池的平均放电率要小于0.25C，其瞬时放电率可达5C，若使用小于4 h，无法满足载具工作要求，需要维修；80%容量磷酸铁锂电池持续放电率可以达到2C，瞬时可以达到20C[5]，梯次利用电池无疑在相同容量下，能持续输出的功率大于原铅酸电池。

图3 叉车电瓶使用时间统计

图4 拖车电瓶使用时间统计

因此当相同容量的锂电池体积能放入载具电池仓内，就能满足载具正常工作。

考虑梯次利用电池容量会有所衰减，使用的是新锂电池容量的75%进行计算，由表3可知三种载具体积比均为容量比近2倍，这一定程度反应能量密度的差别，因此可以确定载具电源改造能成功放入电池仓，改造后的工作时间能满足（注：表中铅酸电池的容量测量5HR，而锂电池测量标准为3HR，所以相同容量标识下，锂电池的实际容量是要大于铅酸电池的）。

表3 载具尺寸与容量表

2.3 经济效益分析

经济效益分析主要包括改造前后成本对比分析，和一次性成本估算。

每种载具节约成本计算公式：

其中：P为电池的价格，g为载具所含电池数，T为使用年限，n为该载具数量。

其中：kd为衰退补偿系数，Pwg为每wh每年的改造成本，Ywh为改造后电池使用理想年限，V为锂电池电压，CAn该车型的容量。需要确定的参数有：Pwh、Twh、kd。

选用有70%～80%额定容量的梯次利用锂电池，使用至50%就不能再载具上使用，目前尚无权威的梯次利用电池寿命统计数据，从电池本身、使用环境来初步确定，已知电池寿命衰减百分比理论公式[6]：

图5 循环次数与电池耗损图

实验选取1.872 kWh的锂电池在想状态下，损耗20%前可循环3 200次，损耗到50%时可循环16 900次；磷酸铁锂生产产品一致性差，梯次利用的即使经过筛选仍无法避免，当多个电池组装后，电池组实际循环次数会减小，；参照新能源汽车上的2 000次循环，选取循环次数取修正系数2，载具电池平均取工作6 h更换，每天工作两班取22 h；梯次利用理想寿命（单位：年）：

衰减系数kd为使用时的寿命衰减因素，主要与安全等级相关，拟定为表4。

表4 衰减系数对照表

温度与均衡充电对寿命衰减系数较大。

电池梯次利用成本为新电池购置成本的20%，新电池成本：1.8元/Wh，且国家规定2020年电池成本降至1元/Wh以下。本文保守估计取新电池的30%作为电池改造成本即=0.48元/Wh。拟采取安全等级为三级，那么每年改造收益如表4。

选取改造后载具安全等级为三级，表5中7类运输载具电源改造后每年能节约130多万元；载具总数219，每个BMS板1500元，假设每年报废20%，电池改造完后，需要根据电池仓进行进一步改造，每台改造费取4000元；BMS板开发项目费用60万（BMS板、电池仓改造、项目开发费用均是基于安全等级3级的条件下确定的）。可以算出收回成本的时间为：