報廢電動汽車拆解及分類回收利用關鍵技術研究

張軒瑜，羅輝輝，張李權，張瑞杰

（1.長沙中聯重科環境產業有限公司，湖南 長沙 410206；2.深圳汽航院科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

據公安部交通管理局統計，截至2020年底，全國機動車總量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛，新能源汽車492萬輛，占汽車總量的1.75%；純電動汽車400萬輛，占新能源汽車總量的81.32%。當前，汽車報廢總量將達1800萬輛，報廢高峰已經來臨[1]。報廢的電動汽車將會引發安全、環保等問題，做好報廢電動汽車拆解、資源回收再利用等工作已成汽車產業實現碳達峰、碳中和的關鍵，是促進生態文明建設的重要環節[2]。報廢電動汽車總量在未來數年會高速增長，報廢電動汽車拆解相比傳統汽車有較大的差異，特別是對動力電池的拆缷、存儲，如不能有效處理報廢電動汽車，將對社會環境、低碳環保等方面產生嚴重影響，處理不當極容易引發公共安全和環保事故[3]。

1 報廢電動汽車的危害

報廢電動汽車相對于傳統汽車，除了廢液和廢氣污染之外，還有廢舊動力電池的危害。廢舊動力電池的危害主要體現在操作觸電危險、化學成分污染等。

1.1 電池包電壓高容易引發觸電事故

電動汽車整車拆解在安全、技術上的要求比傳統燃油車更高，特別在動力電池拆卸方面工序復雜且有安全隱患。電動汽車動力正在往高壓化方向發展，電池額定總電壓最高可達1000V，當該電池系統荷電狀態（SOC）為0時，磷酸鐵鋰體系動力電池包總電壓可高達680V、三元鋰體系動力電池包總電壓可高達860V。報廢的動力電池經過長期的使用，安全性、穩定性等各項性能已經嚴重下降[3]，在高的電壓下若采用不當的方式拆缷、存儲、包裝和運輸等，不僅容易造成人員觸電傷亡而且極容易造成起火甚至爆炸事故。

1.2 鋰電動化學成分污染危害環境

電動汽車主要采用鋰離子體系電池作為動力電池包。廢鋰離子動力電池電極材料含有鈷（Co）、鎳（Ni）、錳（Mn）、銅（Cu）等重金屬元素和電解質（六氟磷酸鋰）等物質。電極材料與環境中其它物質發生水解、分解、氧化等化學反應，產生重金屬離子污染、強堿污染和負極碳粉塵污染等；電解質在環境中可發生水解、分解、燃燒等化學反應，產生氟化氫（HF）、含砷化合物和五氟化磷（PF5）含磷化合物，進而造成氟污染、砷污染和磷污染等[4-5]。報廢動力電池的元素成分會在環境中產生累積效應，不僅對環境造成極大的污染，而且最終會給人類健康帶來極大的危害影響。

2 報廢電動汽車可回收利用的資源

當前，報廢電動汽車主要分為分步拆解和整車破碎兩種模式。考慮以零部件回收再制造為主要出發點時，采用分步拆解；考慮以報廢材料回收利用為出發點時，采用整車破碎。

報廢電動汽車存在大量可再生資源，包括電池系統（電池及電池材料）、鋼鐵材料（各大總成）、有色金屬（鉛（Pb）、銅（Cu）、鋁（Al）、錫（Sn）、鋰（Li）、鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）、貴金屬（鉑（Pt））、玻璃、工程塑料（儀表盤、車輪橡膠）、內飾皮革等可再生材料；電子電器配件、標準件等可再生用件。

報廢電動汽車相比其他原材料，具有存量大、價值高、可再用等特點，是循環經濟上游原材料的重要來源。一輛報廢電動汽車中約含有65%的鋼鐵、11%的塑料、8%橡膠和6%的有色金屬，三元鋰電池包中約含有2%鋰、12%鎳、2%鈷、13%銅、13%鋁，含有豐富的稀缺金屬和有價金屬，基本上可以全部回收利用。

3 報廢電動汽車拆解及分類回收利用關鍵技術

報廢電動汽車拆解及分類回收利用關鍵技術可分為共性技術、再制造技術和再利用技術等[6],如圖1所示。在報廢電動汽車中，具體技術包括動力電池拆解及梯次利用技術、電控部件回收利用技術和輕量化碳纖維復合材料回收利用技術等。

圖1 報廢電動汽車拆解及分類回收利用關鍵技術

3.1 動力電池拆解及梯次利用技術

當前，由于電動汽車電池系統設計差別巨大，使得拆解回收企業無法使用一套流水線拆卸所有的電動汽車電池包和模組，導致電池拆卸成本過高、拆卸難度大，而且拆卸后的報廢動力電池產品一致性差且剩余壽命及電池狀態無法系統評估，也直接影響下游回收企業評估歸類。因此，動力電池拆解技術是報廢電動汽車拆解的關鍵技術，直接影響著動力電池的梯次利用價值及回收成本。動力電池回收工藝可以分成化學回收和物理回收兩大類[7]。

3.2 電機電控部件回收利用技術

電動汽車電機電控部件回收方式主要有兩種：①與報廢電動汽車車身一同進行破碎作材料回收或隨意丟棄，該方式中退役電機電控部件的高附加值沒有回收利用，存在污染環境問題；②從退役汽車拆解后直接流向配件市場，該回收方式中退役電機電控部件不做任何檢測直接進行使用，存在的安全隱患問題。電機電控部件回收利用技術包括拆解、檢測、硬件探傷、調校、可靠性老化檢測等，退役電機電控部件再制造的關鍵技術包括電機電控部件高效無損拆解與專用拆解工具開發、電機電控部件高效清潔技術研發、電子元器件的無損檢測技術與檢測設備開發、退役電機電控部件環境應力試驗技術[8]。

3.3 碳纖維復合材料回收利用技術

電動汽車用碳纖維復合材料的回收再利用技術存在成分復雜、熱固交聯、材料結合等技術難點。碳纖維復合材料可分為熱解回收、化學回收和機械回收等三類回收技術。目前，熱解回收和化學回收是回收碳纖維復合材料最為有效的方法。熱處理回收主要分為熱解法、氧化流化床法、微波輔助熱解法。在350℃以下的溫度，可以采用苯甲醇、超臨界流體、催化劑等活性介質通過化學回收的方法實現對樹脂與纖維的回收[9]。

4 報廢電動汽車智能拆解設備、工藝及管理

4.1 報廢電動汽車智能拆解裝備

報廢電動汽車拆解裝備主要包括汽車拆解翻轉機、汽車拆解升降機、冷媒回收機、安全氣囊起爆器、液壓大力剪、鱷魚式液壓剪斷機、金屬液壓打包機和輪轂液壓拆取機等。吳修文［10］等人開發了具備多自由度作業機構、抓取范圍大、定位準確，能實現在三維空間內快速取物的新型報廢電動汽車拆解機器人。

4.2 報廢電動汽車智能拆解工藝

報廢電動汽車主要包括人工拆解和機械拆解兩類。人工拆解包括拆解前期預處理、外部件拆解、內部件拆解和總成件拆解；機械拆解包括采用各用機械設備對汽車部件進行拆解。在拆解工藝流程中，報廢電動汽車登記造冊后，采用人工拆解預處理，進行外部拆解、內部拆解、總成拆解，然后采用一體化處理裝置等機械設備進行機械拆解深度處理，包括剩余車身進行機械壓縮處理、破碎、分選、物料篩分、收集和處置等，拆解總體工藝如圖2。

圖2 汽車拆解主要工藝流程

楊利芳［11］等人提出了報廢汽車智能拆解工藝。聞月［12］等人通過對報廢汽車的整車拆解工藝進行了分析，建立了基于有向圖的拆解工藝模型、拆卸優先約束關系，為汽車拆解線的平衡優化提供了拆解信息數據。翟棒棒［13］等人開發了能夠有效進行拆解車間物流管理，并以可視化界面指導各工位操作工人的操作的報廢汽車拆解工藝規劃系統原型。

4.3 報廢電動汽車智能拆解工藝作業模式

報廢電動汽車拆解作業通常采用定位作業、流水作業等兩種工作模型式。

4.3.1 定位作業

定位作業是將報廢電動汽車固定在一個工位，人員在此工位完成全部拆解任務。拆解應按照由表及里、由部件到主機，并遵循先由整車拆成總成，再由總成拆成部件，最后由部件拆成零件的原則進行。汽車一般拆解流程：登記驗收→外部情況檢視→預處理（拆易燃易爆零部件）→總體拆卸→拆解各總成的組合件和零部件及檢驗分類。對電動汽車基本拆解流程：電池系統→電機→懸架→制動系統→轉向系統及車身。

汽車常見連接包括螺紋連接、螺釘組連接、銷、鉚釘、點焊零部件、過盈配合連接和卡扣連接等類型。在螺紋連接中，銹蝕的螺釘和螺母一般可采用非破壞性和破壞性方法拆解，拆解的工作量約占50～60%；螺釘組連接，可采用按順序分層次勻稱方式進行拆解；在銷、鉚釘和點焊中，可用沖擊、鉆孔、鏟去和鏨開等方式拆解；在過盈配合連接件中，可采用采用拉（壓）法、溫差法等方式進行拆解；卡扣連接，采用專用撬板拆解。汽車常見連接方式及拆解方法如表1所示。

表1 汽車常見連接方式及拆解方法

4.3.2 流水作業

流水作業是將報廢電動汽車按照所設計拆解線依次進入各工位進行拆解作業的方式。流水作業拆解工藝流程是將待拆解報廢電動汽車運送到汽車拆解線，并固定在拆解工作臺上，按工位進行拆解操作。

對電動汽車流水作業流程為汽車送到拆解線→移動拆解平臺固定→預處理→電池系統拆卸→電機拆卸→外部件拆卸→內部件拆卸→總成拆卸→車身壓實。

4.4 報廢電動汽車智能拆解過程管理

報廢電動汽車拆解過程管理要滿足環境保護要求、安全要求和規范性要求和經濟效率要求等四項要求，需要嚴格遵守操作規程進行，嚴禁無牌無證單位非法拆解電動汽車動力電池。在汽車拆解環境保護和安全方面，張鈺［14］在2006年便提出了報廢汽車再生利用、回收處理技術，探討了汽車拆解回收企業管理中需要解決的問題。翟琦［15-16］提出了汽車環保無害化管理的建議。楊利芳［11］等分析了汽車拆解過程中的噪聲污染、固廢污染、廢氣污染，并提出了量化污染治量的措施。丁問司［17］等人提出了包括拆解作業管理、BOM管理、產品零部件圖瀏覽、統計分析及評價功能、拆解信息管理、員工績效管理、權限管理等模塊組成的拆解管理信息系統。凌波［18］和曾志敏［19］等人開發了報廢汽車拆解回收信息管理系統，實現了材料、零部件和拆解回收工藝等信息的有效管理。

5 結語

汽車產業是科技創新、國民經濟、和國防安全不可替代的戰略支柱產業，是實現整個國民經濟持續、健康、快速發展的重要因素。做好報廢電動汽車資源利用等工作可以帶來良好的經濟效益、明顯的社會效益和實際的環境效益，是保證資源循環合理利用、實現汽車產業綠色可持續發展的重要途徑，是實現碳達峰、碳中和的關鍵一環，也是促進生態文明建設和實現汽車強國戰略不可或缺的重要組成部分和必然選擇。未來，報廢電動汽車拆解及分類回收利用技術要重點建立和發展共性技術和信息化、數字化管理體系。重點突破汽車產品可拆解性設計技術、可回收性設計技術、綠色供應鏈技術等通用性技術，重點攻關動力電池拆解及梯次利用技術、電控部件回收利用技術、輕量化碳纖維復合材料回收利用技術、限用/禁用物質零部件資源化和處置技術等專用性技術，重點研發報廢電動汽車智能拆解設備、工藝及過程管理方法，建立信息化、數字化管理體系。