隨著新能源汽車的廣泛應(yīng)用，退役動力電池梯次利用的問題受到關(guān)注。退役動力電池的梯次利用不僅可降低動力電池使用成本，還可緩解動力電池退役帶來的環(huán)境污染壓力。電動汽車對動力電池的性能要求較高，而動力電池退役時的剩余容量可用于對電池性能要求較低的儲能應(yīng)用場景。
實(shí)際中，對動力電池退役點(diǎn)的判斷一般借助于對電池健康狀態(tài)（SOH）的評判，這也是動力電池梯次利用決策的主要依據(jù)。Viswanathan等研究了將退役動力電池用于儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，研究表明動力電池在不同的SOH時退役對儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性具有較大影響。2012年，Lih等認(rèn)為判斷動力電池何時退役非常重要，動力電池的退役存在最優(yōu)時間區(qū)間。2014年，Debnath等研究了退役動力電池用于智能電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)收益問題，證實(shí)了在一段SOH區(qū)間內(nèi)動力電池退役可使經(jīng)濟(jì)收益達(dá)到最大。雖然上述研究對動力電池退役點(diǎn)的影響進(jìn)行了討論，但并未給出確定動力電池退役點(diǎn)的定量判據(jù)及定量分析方法。
動力電池的梯次利用不僅需要考慮其經(jīng)濟(jì)性，還需考慮其對環(huán)境的影響。2012年，Cicconi等研究了退役動力電池用于智能電網(wǎng)中的環(huán)境可行性，動力電池梯次利用對環(huán)境的影響可減少25%。2017年，Ahmadi等建立了動力電池梯次利用的生命周期評價（LCA）模型，電池的SOH是電池組生命周期性能的重要決定因素。同年，Richa等對比了使用退役動力電池與使用鉛酸電池做儲能電池的累積能源消耗和碳排放量，發(fā)現(xiàn)使用退役動力電池對環(huán)境更有益。Casals等研究了退役電池在不同二次利用場景下的碳排放量，認(rèn)為只有與可再生能源結(jié)合使用時，電池的二次利用才是可取的。
因而，動力電池退役點(diǎn)選擇的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響不僅受到二次利用場景的影響，而且還受到電池容量衰退過程的影響，而且退役動力電池在不同的二次應(yīng)用場景下的循環(huán)壽命也具有顯著差異。因此，有必要將電池的容量衰退過程與電池的全生命周期評價相結(jié)合在不同的二次應(yīng)用場景下對電池退役點(diǎn)進(jìn)行定量分析。
針對以上問題，本文提出一種動力電池退役點(diǎn)的定量評價方法，通過對動力電池梯次利用中電池的環(huán)境影響進(jìn)行定量評價，確定動力電池的退役點(diǎn)。以磷酸鐵鋰電池為例，將電池的生命周期分為生產(chǎn)、動力電池使用、翻新重組、儲能電池使用和回收利用5個階段，采用CML2001(Nov.10)方法進(jìn)行生命周期評價，選擇全球氣候變暖（GWP）作為環(huán)境影響評價指標(biāo)，并選取3個二次應(yīng)用場景來進(jìn)行對比分析，討論固定二次應(yīng)用場景下操作參數(shù)變化對動力電池退役點(diǎn)選擇的影響。
本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)包括兩個方面：一方面是如前所述，從電池對環(huán)境影響的角度，提出了一種可以確定動力電池退役點(diǎn)的定量分析方法，而文獻(xiàn)中多采用靈敏度分析方法來研究動力電池退役點(diǎn)變化的影響，缺乏用于確定動力電池退役點(diǎn)的定量判據(jù)；另一方面是，本文將電池的容量衰退特性與電池的全生命周期評價相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確分析在不同二次應(yīng)用場景下電池退役點(diǎn)的選擇，而文獻(xiàn)中多忽略了電池容量衰退特性對退役點(diǎn)選擇的影響。
本文第1節(jié)介紹了電池的生命周期評價模型，第2節(jié)介紹了用于計(jì)算動力電池和儲能電池使用壽命的容量衰退模型，第3節(jié)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和討論，第4節(jié)對全文進(jìn)行了總結(jié)。
磷酸鐵鋰電池是近年來最受關(guān)注的電動汽車動力電源之一，本文以磷酸鐵鋰型（LFP）電池為例，研究對象為容量12kW·h、質(zhì)量109.8kg的LFP電池組。
電池的全生命周期包括生產(chǎn)、作動力電池使用、翻新重組、作儲能電池使用和回收利用5個階段，如圖1所示。本文考慮了各階段的運(yùn)輸需求，但未將需用到的各工廠納入系統(tǒng)邊界內(nèi)。LCA方法可以根據(jù)研究目的的差異基本劃分為中間點(diǎn)法和終結(jié)點(diǎn)法兩類，二者的最大差異在于考慮的環(huán)境影響指標(biāo)不同。中間點(diǎn)法中各項(xiàng)指標(biāo)通過特征化因子計(jì)算得到，相較于終結(jié)點(diǎn)得出的一個評價分?jǐn)?shù)，能更直觀地展示出各類環(huán)境影響的大小，更容易、更明確地解釋對環(huán)境的影響和破壞，因此本文選擇使用中間點(diǎn)法。本文采用GaBi8軟件作為生命周期評價工具，選擇CML2001（Nov.10）方法進(jìn)行電池梯次利用的生命周期評價。CML2001（Nov.10）方法是面向問題的方法，采用中間點(diǎn)分析減少了假設(shè)的數(shù)量和模型的復(fù)雜性，是一種普遍、廣泛使用的中間點(diǎn)方法。
在電池的LCA方法分析中，常用的環(huán)境影響類別指標(biāo)有全球氣候變暖（GWP）、酸化（AP）、人體毒性（HTP）、顆粒物形成（PMF）、光化學(xué)煙霧形成（POF）等，本文選擇全球氣候變暖（GWP）作為評價指標(biāo)，主要有以下幾個方面的考慮：首先，本文使用LCA方法分析電池整個生命周期對環(huán)境的影響主要考慮動力電池梯次利用生命周期的完整性，評價指標(biāo)的多樣性在本文是次要考慮的；其次，LCA方法中各個環(huán)境影響類別的指標(biāo)結(jié)果由特征化因子轉(zhuǎn)化清單數(shù)據(jù)得到，而動力電池階段和儲能電池階段的清單數(shù)據(jù)為充放電引起的電量損失，且電量損失與電池的使用壽命相關(guān)，因此，各個環(huán)境影響類別的指標(biāo)隨退役點(diǎn)變化的趨勢應(yīng)是相同的，由于本文目的是確定最小環(huán)境影響的退役點(diǎn)，則選用一種指標(biāo)即可滿足本文的需求；最后，全球氣候變暖（GWP）由于其簡單性和便于理解的優(yōu)點(diǎn)，是動力電池生命周期評價中最常用的指標(biāo)之一，因此本文選擇其作為評價指標(biāo)。
電池生命周期各階段的主要清單數(shù)據(jù)列于表1中，所用數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)和Ecoinvent3.3數(shù)據(jù)庫。本文模型與Ahmadi和Richa等提出的LCA模型的區(qū)別可體現(xiàn)在兩個方面：首先，在模型的構(gòu)建中，本文將電池容量衰退的動態(tài)模型與LCA模型相結(jié)合，考慮了電池使用壽命隨退役點(diǎn)的變化，而文獻(xiàn)中未考慮退役點(diǎn)變化的情況；其次，本文模型中的容量衰退模型為通用模型，可根據(jù)二次應(yīng)用場景的變化選擇計(jì)算參數(shù)，從而使其適用于多種固定的二次應(yīng)用場景。再者，在生命周期階段的劃分和清單分析方面，本文模型也與已有模型存在差異，下文對本文模型將有詳細(xì)介紹。
（1）電池生產(chǎn)階段清單數(shù)據(jù)參考2018年P(guān)eters等建立的電池生產(chǎn)階段生命周期評價的通用基礎(chǔ)模型，電池以磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料做正極，以石墨做負(fù)極，使用聚偏氟乙烯（PVDF）做正極的黏結(jié)劑，溶劑為N-甲基吡咯烷酮（NMP），使用羧甲基纖維素/苯乙烯-丁二烯-橡膠（CMC-SBR）做負(fù)極的黏結(jié)劑，溶劑為水。出于電池組安全性的考慮，本文中電池組的主要材料使用鋁，清單數(shù)據(jù)由文獻(xiàn)提供，文獻(xiàn)中的電池組包裝的數(shù)據(jù)同樣詳細(xì)、可靠。文獻(xiàn)中LFP電池組的能量密度為109.3W·h/kg，盡管本文中所用電池組的包裝數(shù)據(jù)與原文獻(xiàn)中有所不同，但電池組中各部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有改變，因此能量密度仍是109.3W·h/kg。
（2）動力電池階段參考2011年Viswanathan等的情景設(shè)定，電動汽車的電能消耗為200W·h/英里（1英里＝1.609km，下同），平均每年的行駛距離為12000英里，每年的運(yùn)行時間為300天，則平均每天的行駛距離為40英里，每天充放電1次，平均每天消耗的電能為8kW·h，則平均每天的放電深度（DOD）為67%。該階段的電能消耗考慮為由電池充放電效率引起的電能損失與用于運(yùn)載電池質(zhì)量消耗的電能的加和。本文考慮了充放電效率的衰退，但由于本文的研究目標(biāo)在動力電池退役點(diǎn)的變化，而電池的充放電效率是隨SOH變化的，可設(shè)定當(dāng)電池的SOH大于95%時，充放電效率等于95%，當(dāng)電池SOH小于95%時，充放電效率等于SOH。
（3）電池翻新階段根據(jù)2017年Ahmadi等對退役電池翻新重組階段的清單分析，該階段包括電池組包裝和BMS的更換，包裝和BMS與生產(chǎn)階段相同，翻新重組階段的電能和熱能消耗為生產(chǎn)階段的30%，以及電池測試消耗的電能。
（4）儲能電池階段考慮3個二次應(yīng)用場景，分別為家用光伏儲能系統(tǒng)（場景一）、孤島光伏儲能系統(tǒng)（場景二）和家用自我消費(fèi)儲能系統(tǒng)（場景三）。該階段的電能消耗與動力電池階段相同，考慮為由電池充放電效率引起的電能損失，設(shè)定當(dāng)電池的SOH大于65%時，充放電效率等于SOH，當(dāng)電池的SOH小于65%時，充放電效率等于65%。
在家用光伏儲能系統(tǒng)場景下，電池與屋頂?shù)墓夥姵叵噙B，整個系統(tǒng)外接電網(wǎng)，當(dāng)光伏發(fā)電盈余時儲能，在光伏發(fā)電不足時放電。儲能系統(tǒng)每天進(jìn)行1次充放電循環(huán)，每年的運(yùn)行時間為365天，平均每天的DOD為45%，平均每天消耗的電能為5.4kW·h，當(dāng)電池SOH達(dá)到50%時停止使用。該應(yīng)用場景設(shè)定為場景一。
在孤島光伏儲能系統(tǒng)場景下，電池與光伏電池組成一個系統(tǒng)用于海島的智能電網(wǎng)中，智能電網(wǎng)不與電網(wǎng)相連，但有其他電源，如柴油發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電等。當(dāng)光伏發(fā)電盈余時電池充電，在光伏發(fā)電不足以供應(yīng)需求時放電。儲能系統(tǒng)每天進(jìn)行1次充放電循環(huán)，每年的運(yùn)行時間為365天，平均每天的DOD為40%，平均每天消耗的電能為4.8kW·h，當(dāng)電池SOH達(dá)到40%時停止使用。該應(yīng)用場景設(shè)定為場景二。
在家用自我消費(fèi)儲能系統(tǒng)場景下，電池與電網(wǎng)相連，電池在低電價時充電，在高電價時放電。儲能系統(tǒng)每天進(jìn)行1次充放電循環(huán)，每年的運(yùn)行時間為365天，平均每天的DOD為60%，平均每天消耗的電能為7.2kW·h，當(dāng)電池SOH達(dá)到60%時停止使用。該應(yīng)用場景設(shè)定為場景三。
（5）電池回收在電池的回收利用階段，對電池的處理主要是冶金回收過程，該階段設(shè)定為開環(huán)體系，該階段回收得到的金屬材料用于其他過程，用于替代初級材料輸入。該階段得到的評價結(jié)果為負(fù)值，意味著所研究系統(tǒng)對產(chǎn)品的回收避免了生產(chǎn)材料的環(huán)境影響。
本文參考文獻(xiàn)中對到達(dá)生命終點(diǎn)電池的處理方式為，電池首先拆解為電池單體、BMS和電池組其他組分，之后分別對可回收的組分，如鋰、鋁、銅等金屬進(jìn)行回收，對不可回收的組分如塑料、電解液、石墨等進(jìn)行填埋處理。對電池單體用濕法冶金的方法來回收有價值的金屬，金屬的回收率參考文獻(xiàn)中對各金屬回收率的中值，鋰的回收率為55%，鋁的回收率為55%，銅的回收率為10%。BMS和電池組包裝中金屬回收率與文獻(xiàn)中相同，鋼的回收率為90%，鋁的回收率為97%，銅的回收率為76%。
目前已有的鋰離子電池容量衰退模型分為機(jī)理模型、等效電路模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?。機(jī)理模型側(cè)重于定量描述電池內(nèi)部微觀過程，所需參數(shù)獲取困難、計(jì)算復(fù)雜度高。等效電路模型屬于半機(jī)理半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，需要合理的電路元件組合方式等效電池內(nèi)部電化學(xué)過程，計(jì)算復(fù)雜度較高。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷碾姵赝馓匦猿霭l(fā)，利用充放電特性曲線中的電流和電壓來描述電池特性，完全基于歷史測量數(shù)據(jù)，避免考慮復(fù)雜的電化學(xué)過程，可有效描述電流、溫度、SOH間的關(guān)系。在本文中，需要通過容量衰退模型得到的是電池的使用壽命，不需要關(guān)注電池的電化學(xué)過程，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木瓤梢詽M足本文的要求，且經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算更為簡單，因此以下將選擇使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
電池的容量衰退受電池工作環(huán)境的溫度、充放電電流的倍率、放電深度、電極材料等因素影響，由循環(huán)衰退和日歷衰退兩部分構(gòu)成。電池的容量衰退可用式(1)表示
式中，DN表示電池運(yùn)行到第N次循環(huán)時損失的容量；Cn表示電池運(yùn)行到第n次循環(huán)時的容量，可用式(2)表示；fDOD表示放電深度對額外容量損失的影響因數(shù)；fdsch表示放電電流的倍率對額外容量損失的影響因數(shù)；fs表示日歷衰退的影響因數(shù)；ftemp表示溫度對額外容量損失的影響因數(shù)；Y表示電池的使用年數(shù)。
電池運(yùn)行到第n次循環(huán)時的容量Cn可用循環(huán)次數(shù)n的多項(xiàng)式表示，當(dāng)DOD為51%，溫度為20℃時，可按式(2)計(jì)算。
不同DOD下電池容量衰退的速率不同，循環(huán)衰退容量與DOD呈線性關(guān)系，fDOD可表示為式(3)和式(4)。
式中，d表示DOD×100。
研究表明，如果電池的放電倍率未超過電池允許的最大放電倍率，則放電倍率的變化對容量衰退不會產(chǎn)生額外的影響。電動汽車的電池容量往往是過大的，很少出現(xiàn)在最大放電倍率附近放電的情況，且做儲能電池時的放電倍率也往往小于動力電池的最大放電倍率，因此取fdsch=1。電池的日歷衰退是指電池未在運(yùn)行狀態(tài)電池容量的衰退現(xiàn)象，本文中設(shè)定為電池容量每年額外衰退0.033，即fs=0.033。
溫度對容量衰退的影響可通過阿累尼烏斯公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即表達(dá)為式(5)。
式中，Ea為活化能，其值為78.06kmol/J；R為理想氣體常數(shù)，其值為8.314J/kmol；T為電池運(yùn)行的溫度，K；Tref為電池運(yùn)行的參考狀態(tài)溫度，其值為293.15K。
在已知動力電池和儲能電池的使用條件時，可根據(jù)上述公式計(jì)算第n次循環(huán)時的SOH，設(shè)定動力電池的工作溫度為25℃，儲能電池的工作溫度為20℃。
在電池作為動力電池使用階段，情景設(shè)定的DOD為平均放電深度，不隨著循環(huán)次數(shù)發(fā)生變化，則式(1)可化簡為式(6)。
式中，N1為儲能電池的循環(huán)次數(shù)。
本文目的在于研究定量確定動力電池退役點(diǎn)，為了滿足電動車的需求和安全性，本文設(shè)定動力電池的SOH在90%～70%區(qū)間內(nèi)退役并用作儲能電池。在電池作為儲能電池使用階段可采用式(6)計(jì)算容量衰退。
需要注意的是，由于電池的健康狀態(tài)降低，容量衰退加快。本文引入因數(shù)e來描述容量衰退加速的現(xiàn)象，e表示平均容量衰退速度與式(2)對應(yīng)曲線的第n次循環(huán)的容量衰退速度之比，表示為式(7)和式(8)。
對曲線中90%～70%對應(yīng)部分進(jìn)行分段線性化，得到90%～88%區(qū)間內(nèi)a=-0.00493，88%～85%區(qū)間內(nèi)a=-0.00706，85%～80%區(qū)間內(nèi)a=-0.00990，80%～70%區(qū)間內(nèi)a=-0.0145。
則由式(1)可得到計(jì)算儲能電池容量衰退的表達(dá)式，見式(9)。
本文通過LCA定量評價動力電池梯次利用中退役點(diǎn)的選擇對環(huán)境的影響。
在3個二次應(yīng)用場景下的生命周期評價結(jié)果如圖2所示，圖中動力電池均在SOH達(dá)到80%時退役用作儲能電池。電池生命周期的一次能源消耗用累積能源需求（CED）表示，如圖2(a)所示。使用動力電池的能源消耗顯然高于生命周期內(nèi)其他階段，處于次高的是電池的生產(chǎn)階段和儲能電池的使用階段，而回收階段的能源消耗可忽略不計(jì)。
從圖2(b)可知，電池生產(chǎn)階段和動力電池使用階段的碳排放量占主要部分，這是由于生產(chǎn)階段和動力電池使用階段的能耗較高。動力電池都在SOH為80%時退役，不同的二次應(yīng)用場景下只有儲能電池使用階段的結(jié)果不同。場景一和場景二使用清潔能源，場景三使用電網(wǎng)電能，盡管場景三的DOD較大，使用時間短，但是場景三在儲能階段的碳排放量依然明顯高于前兩者。場景二的DOD與場景一相比較小，儲能電池使用時間長，碳排放量較高。
圖3給出了3種應(yīng)用場景下全球氣候變暖指標(biāo)隨動力電池在不同SOH退役時的變化。由圖3可知，3個應(yīng)用場景下全球氣候變暖指標(biāo)的變化趨勢類似：在SOH從90%降至85%的區(qū)間內(nèi)緩慢增大，這是由于退役時的SOH降低，動力電池使用時間增長，由于動力電池的DOD比儲能電池的DOD大，動力電池?fù)p失的電能更多，因此當(dāng)量二氧化碳的排放更多；在SOH從85%降至80%的區(qū)間內(nèi)快速增大，這是由于該區(qū)間內(nèi)電池容量衰退速率較小；在SOH從80%降至70%的區(qū)間內(nèi)繼續(xù)緩慢增大。為了減少電池梯次利用的碳排放量，動力電池的退役點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇在碳排放量快速增長之前的區(qū)間，即SOH為85%～90%的區(qū)間。
儲能電池的循環(huán)壽命主要由其操作條件決定，因此對固定場景的操作參數(shù)的分析很有必要。本文中儲能電池的使用溫度設(shè)定為恒定值，主要研究DOD的影響。以場景一為例，分別計(jì)算DOD為40%、45%、50%時的電池循環(huán)壽命和全球氣候變暖指標(biāo)，得到圖4。
由圖4(a)中可明顯看出，二次應(yīng)用場景的DOD越小對應(yīng)的電池循環(huán)壽命就越長，且由圖4(b)可知，DOD的變化對碳排放量幾乎沒有影響，因此當(dāng)二次應(yīng)用場景確定時，操作參數(shù)DOD應(yīng)在允許的范圍內(nèi)盡可能小，以延長電池的使用壽命。
針對動力電池梯次利用中動力電池退役點(diǎn)選擇的問題，本文提出了一種定量評價方法，從環(huán)境影響的角度來定量確定退役點(diǎn)。本文將電池容量衰退與生命周期模型相結(jié)合，計(jì)算梯次利用中的碳排放量。在不同二次應(yīng)用場景下分析了碳排放量隨動力電池退役時的SOH變化情況，討論了退役點(diǎn)的選擇。研究表明，不同二次應(yīng)用場景下碳排放量隨動力電池退役時的SOH變化趨勢相似，為了達(dá)到較小的排放量，動力電池應(yīng)在SOH為85%～90%時退役。本文還分析了固定二次應(yīng)用場景下操作參數(shù)DOD的影響，減小DOD可延長電池循環(huán)壽命而碳排放量幾乎不變。因此，當(dāng)二次應(yīng)用場景確定時，操作參數(shù)DOD應(yīng)在允許的范圍內(nèi)盡可能小，需要注意的是，盡管本文所提出的動力電池退役SOH的定量分析方法是基于LFP電池，但只需更換生命周期清單數(shù)據(jù)和容量衰退模型，即可將本文方法應(yīng)用到其他類型電池的生命周期分析問題中。
符號說明
A——平均容量衰退速度，%/次
Cn——電池運(yùn)行到第n次循環(huán)的容量，%
DN——電池累積循環(huán)N次后損失的容量，%
DOD——電池的放電深度，%
d——放電深度百分?jǐn)?shù)的分子
Ea——活化能，kmol/J
e——平均容量衰退速度與第n次循環(huán)的容量衰退速度之比
fDOD——放電深度對額外容量損失的影響因數(shù)
fdsch——放電電流的倍率對額外容量損失的影響因數(shù)
fs——日歷衰退的影響因數(shù)
ftemp——溫度對額外容量損失的影響因數(shù)
N1——電池作為動力電池的循環(huán)次數(shù)，次
N2——電池作為儲能電池的循環(huán)次數(shù)，次
R——理想氣體常數(shù)，J/kmol
SOH——電池的健康狀態(tài)，%
T——電池運(yùn)行參考狀態(tài)的溫度，K
Tref——電池運(yùn)行參考狀態(tài)的溫度，K
Y——電池的使用年數(shù)，年
下角標(biāo)
dsch——放電電流倍率
ref——參考狀態(tài)
temp——溫度
