退役動力蓄電池用于運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，湖北 武漢 430000）

0 引言

新能源汽車的規模于2012年正式進入大眾的視野，六年間在汽車市場上產銷量增加近100倍，而傳統汽車的產銷量近幾年增速放緩，預計我國新能源汽車到2020年有望超過210萬輛，市場規模不斷擴大[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部委發布《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，指出“落實生產者責任延伸制度，汽車生產企業承擔動力蓄電池回收的主體責任，相關企業在動力蓄電池回收利用各環節履行相應責任，保障動力蓄電池的有效利用和環保處置”[2]。

一般情況下，鋰離子蓄電池的使用壽命在8年左右，當蓄電池用舊只能充滿原有電容量80%的時候，就不再適合繼續在電動汽車上使用[2]。由圖1可以得知，到2020年后新能源汽車生產企業將會面臨大量的退役電池處理問題，并且之后每年壓力都會增加，提前為退役電池找好合理、有效的回收利用渠道，形成完善的生產鏈，提高企業的競爭力。

退役動力電池梯次利用的場景有許多。國外有德國寶馬將改造后電池于家庭儲能、美國通用則重組電池后作為小區的備用能源；國內梯次利用電池有由于充（換）電站、充電基站、純電動電源車、快遞電動三輪車等例子[3]；梯次利用的鋰電池體積小、循環壽命長。因此本文主要研究退役動力電池在公司運輸載具上的再利用可行性，以緩解公司未來退役動力電池的壓力。

1 載具鉛酸電池使用現狀

以本公司為例，載具主要是叉車與拖車，經常性的需要運送用于生產的物料，經常需要一個班次11 h均處于運行狀態。

電池類型是鉛蓄電池，鉛蓄電池的優點是放電時電動勢較穩定，工作電壓平穩、能充放電數百個循環、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）、造價較低，因而應用廣泛。

由表1可知近4年報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年所有報廢電池總數達1 990個，平均壽命也只有2.35年，低于常規鋰電池的壽命。

表1 基地載具電池報廢數量與壽命統表

圖2 某叉車鉛酸電源圖

由于能量密度小，電池的體積很大，重達數百公斤，載具需要長時間工作，不同于新能源汽車的充電樁方式充電，故采取的是當電量在20%～30%時，司機會到專門的電池廠更換已經充電完畢的電池，電池廠的電池是直接放于地上，使用燃油吊車進行電池更換作業，由于鉛蓄電池的使用環境多樣，安全性有一定保證。

2 載具改用動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，文中選取主供應商品牌的電池作為改造對象，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，過充性能好，其主要危險源是，電池充電末期或過充條件下，容易產生過多氣體（正極氧氣、負極氫氣），要么來不及從氣孔溢出，造成電池內部高壓，引起爆炸；要么過充產生的氣體遇明火引起爆炸。由于電池的維護與充電屬于外包業務，因此電池在載具上使用時不會對配送員造成人身危險[4]。

磷酸鐵鋰電池能量密度約在90～120 Wh/kg，在鋰電池中較小，但遠超鉛蓄電池，這也意味著危險性要高很多；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充性能差，在充電時，不當的操作或者電流過大等都會導致電池溫度過高，若遇上劇烈碰撞，電芯內部會出現短路現象，極易引發電池的自燃。

若改造為鋰電池電源后，無論是用吊車更換電池（會有很多磕磕碰碰、并且更換處為露天場地，無任何防護），還是安裝充電樁的方式，均會在廠內造成安全隱患，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），表2為擬定的安全等級下BMS所需開發的相應功能。其中電量估算是基礎的BMS板核心功能，包括電壓、電流實時監測，用以進行電量實時估算（避免過放電、過充充）、充放電電流實時保護；均衡控制有主動與被動之分，主要是增加梯次利用鋰電池的使用壽命。

表2 安全等級B MS板功能表

2.2 改造的動力性能分析

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

根據圖3、4，公司生產基地某月載具維護統計數據來看，鉛酸電池的平均放電率要小于0.25C，其瞬時放電率可達5C，若使用小于4 h，無法滿足載具工作要求，需要維修；80%容量磷酸鐵鋰電池持續放電率可以達到2C，瞬時可以達到20C[5]，梯次利用電池無疑在相同容量下，能持續輸出的功率大于原鉛酸電池。

圖3 叉車電瓶使用時間統計

圖4 拖車電瓶使用時間統計

因此當相同容量的鋰電池體積能放入載具電池倉內，就能滿足載具正常工作。

考慮梯次利用電池容量會有所衰減，使用的是新鋰電池容量的75%進行計算，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，改造后的工作時間能滿足（注：表中鉛酸電池的容量測量5HR，而鋰電池測量標準為3HR，所以相同容量標識下，鋰電池的實際容量是要大于鉛酸電池的）。

表3 載具尺寸與容量表

2.3 經濟效益分析

經濟效益分析主要包括改造前后成本對比分析，和一次性成本估算。

每種載具節約成本計算公式：

其中：P為電池的價格，g為載具所含電池數，T為使用年限，n為該載具數量。

其中：kd為衰退補償系數，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，目前尚無權威的梯次利用電池壽命統計數據，從電池本身、使用環境來初步確定，已知電池壽命衰減百分比理論公式[6]：

圖5 循環次數與電池耗損圖

實驗選取1.872 kWh的鋰電池在想狀態下，損耗20%前可循環3 200次，損耗到50%時可循環16 900次；磷酸鐵鋰生產產品一致性差，梯次利用的即使經過篩選仍無法避免，當多個電池組裝后，電池組實際循環次數會減小，；參照新能源汽車上的2 000次循環，選取循環次數取修正系數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kd為使用時的壽命衰減因素，主要與安全等級相關，擬定為表4。

表4 衰減系數對照表

溫度與均衡充電對壽命衰減系數較大。

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

選取改造后載具安全等級為三級，表5中7類運輸載具電源改造后每年能節約130多萬元；載具總數219，每個BMS板1500元，假設每年報廢20%，電池改造完后，需要根據電池倉進行進一步改造，每臺改造費取4000元；BMS板開發項目費用60萬（BMS板、電池倉改造、項目開發費用均是基于安全等級3級的條件下確定的）。可以算出收回成本的時間為：

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約120萬的成本。廠內載具電源改造可行。

3 總結

根據廠內物料運輸載具的現狀，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、動力性能、經濟效益相結合分析能為公司創造利益，可行性高。