劉建利，張 虬，王穎超，呂超輝，朱宵陽(yáng)

（天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

0 引 言

截至2022 年底，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)1 310 萬(wàn)輛，占汽車總量的4.10%，扣除報(bào)廢注銷量比2021 年增加526 萬(wàn)輛，增長(zhǎng)67.13%。同時(shí)，各類新能源汽車動(dòng)力電池也逐漸進(jìn)入規(guī)模化衰減期、退役期。2021 年，我國(guó)退役電池累計(jì)約為33.95 GW·h。

目前，當(dāng)人們談?wù)搫?dòng)力電池能量密度、電池性能、電池原材料、電池衰減以及續(xù)航里程等有關(guān)問(wèn)題時(shí)，不得不密切地關(guān)注到相應(yīng)產(chǎn)生的梯次電池回收利用市場(chǎng)。由于退役產(chǎn)品拆解過(guò)程環(huán)節(jié)繁雜、環(huán)境和物料等監(jiān)管難度大，缺乏柔性高效拆解裝備，導(dǎo)致拆解仍存在很多問(wèn)題。本論文針對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池拆解方法進(jìn)行研究。

退役電池一般指車用動(dòng)力電池或儲(chǔ)能電池容量低于80%或與客戶簽訂的技術(shù)協(xié)議約定的壽命，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程已經(jīng)不能滿足要求，達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)的電池組件將會(huì)退役，大部分退役電池剩余容量仍相對(duì)較高，具有較大梯次利用價(jià)值，可以通過(guò)拆解后對(duì)電池包、電池模組、單體電池進(jìn)行重新配組的方式，用于低速車、通信基站、燈桿儲(chǔ)能或其他儲(chǔ)能等領(lǐng)域[1]。

1 退役電池梯次利用方式

通過(guò)離線數(shù)據(jù)與在線檢測(cè)相結(jié)合的方式，檢測(cè)退役電池剩余容量、電壓、內(nèi)阻等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)其剩余壽命進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)電池狀態(tài)進(jìn)行快速分級(jí)并制定不同的梯次利用方案研究，可分別實(shí)現(xiàn)電池包級(jí)別、電池模塊級(jí)別或單體電池級(jí)別的循環(huán)再利用，對(duì)于無(wú)法梯次利用的電池可通過(guò)回收電池材料的方式實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用， 鋰離子電池主要由正極片、負(fù)極片、隔膜以及電解液等4 個(gè)部分組成[2]。電池包快速分級(jí)流程如圖1 所示。

圖1 電池包快速分級(jí)流程

2 退役電池拆解流程

2.1 拆解線體注意事項(xiàng)

（1）線體應(yīng)配備專業(yè)防護(hù)罩、專用起吊工具、起吊設(shè)備、專用拆解工作臺(tái)、專用取模器條碼專用模塊拆解設(shè)備等。

（2）整線考慮絕緣安全；電池堆放存儲(chǔ)要符合環(huán)保部要求。

（3）箱體碼、模組碼、電芯碼聯(lián)網(wǎng)上傳，遇到模糊或損壞的條碼，聯(lián)網(wǎng)工信部進(jìn)行關(guān)聯(lián)比對(duì)獲得。

（4）拆解作業(yè)人員需持有相應(yīng)的職業(yè)資格證書，如電工證等，首個(gè)工位需要進(jìn)行絕緣檢測(cè)，操作人員需做好個(gè)人高壓安全防護(hù)，用絕緣墊將動(dòng)力電池與操作臺(tái)隔開，穿戴好絕緣手套、耐壓絕緣鞋、防護(hù)眼鏡以及防靜電服等，使用專用絕緣工具操作時(shí)周圍應(yīng)布置隔離欄或者警戒線，同時(shí)擺放高壓觸電危險(xiǎn)標(biāo)識(shí)，操作間配備相應(yīng)的消防器材[3]。

（5）線邊規(guī)劃物料緩存區(qū)、不良檢修區(qū)。

2.2 拆解流程

（1）退役電池包數(shù)據(jù)篩選，查電池系統(tǒng)的客戶端運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電池系統(tǒng)的容量、電量、單體電壓以及溫度等信息及故障記錄，將問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別。

（2）將電池包外觀進(jìn)行開蓋檢查，標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)變形、裂紋、表面平整干燥、無(wú)外傷、部件外觀良好、無(wú)扭曲、變形、開裂、電池包底部無(wú)明顯凹坑以及劃傷等問(wèn)題，如有異常需要將電池包拆解成模組。

（3）電池包進(jìn)行功能測(cè)試、絕緣耐壓測(cè)試，絕緣阻值至少應(yīng)該有500 Ω/V，具體標(biāo)準(zhǔn)參考各項(xiàng)目絕緣標(biāo)準(zhǔn)，絕緣不過(guò)的排出返檢區(qū)，單獨(dú)進(jìn)行拆解。

（4）將數(shù)據(jù)無(wú)問(wèn)題、外觀合格、功能正常以及絕緣OK 的電池包組成電池系統(tǒng)后，進(jìn)行電連接及容量測(cè)試。將容量大于等于80%標(biāo)稱容量的電池包進(jìn)行扣蓋、氣密性測(cè)試；將容量小于80%標(biāo)稱容量的電池包將其拆解成電池模組。

（5）拆除電池包手動(dòng)維護(hù)開關(guān)（Manual ServiceDisconnect，MSD）、外接導(dǎo)線及脫落的附屬件。

（6）拆除高壓線束、線路板、高壓安全盒等安全部件。

（7）根據(jù)電池模塊的位置和固定方式，拆除相關(guān)固定件、冷卻系統(tǒng)等部件，采用專用取模器移除模塊。

（8）將電池模組外觀進(jìn)行開蓋檢查，標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)變形、裂紋、表面平整干燥、無(wú)外傷、部件外觀良好、無(wú)扭曲、變形、開裂、電池模組底部無(wú)明顯凹坑以及劃傷等問(wèn)題，如有異常需要將電池包拆解成電池單體。

（9）將外觀合格、電壓及內(nèi)阻正常、絕緣OK的電池模組串聯(lián)后進(jìn)行電連接及容量測(cè)試，將容量≥80%標(biāo)稱容量的電池模組按照電壓、荷電狀態(tài)（State of Charge，SoC）、容量等參數(shù)配組電池包；將容量＜80%標(biāo)稱容量的電池模組將其拆解成電池單體。

（10）將單體電芯外觀進(jìn)行檢查，標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)變形、裂紋、表面平整干燥、無(wú)外傷、部件外觀良好、無(wú)扭曲、變形、凹坑、劃傷以及開裂等問(wèn)題，如有異常需要進(jìn)行單體電芯拆解。

（11）將單體電芯進(jìn)行電壓內(nèi)阻測(cè)試，將電壓、內(nèi)阻超規(guī)格的需要進(jìn)行單體電芯拆解。

（12）電壓、內(nèi)阻在規(guī)格內(nèi)的進(jìn)行容量測(cè)試，將容量大于等于80%標(biāo)稱容量的單體電芯組成電池模組；將容量小于80%標(biāo)稱容量的單體電芯將其進(jìn)行拆解。

（13）將容量大于等于80%標(biāo)稱容量且絕緣膜存在損傷的單體電芯，需對(duì)藍(lán)膜進(jìn)行清潔，然后重新測(cè)量電芯靜態(tài)電壓，根據(jù)靜態(tài)電壓對(duì)電芯進(jìn)行分組，以保證模組的一致性，并將電芯包膜后組裝成電池模組。

3 退役電池拆解存在問(wèn)題點(diǎn)與解決措施

3.1 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

3.1.1 電池包、電池模組絕緣耐壓測(cè)試

需要使用絕緣耐壓測(cè)試儀測(cè)量電池包/電池模組的絕緣及耐壓，絕緣耐壓測(cè)試的示意如圖2 所示，共需要測(cè)量4 次，分別為電池包/模組的總正與外殼、電池包/模組的總負(fù)與外殼、電池包/模組加熱口與外殼以及電池包/模組加熱口對(duì)總正。每次測(cè)試均需要人工將測(cè)試夾子夾到對(duì)應(yīng)位置然后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法如圖3 所示。測(cè)試完成后將絕緣、耐壓結(jié)果記在記錄表中。該方式過(guò)程較為煩瑣，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，車用動(dòng)力電池系統(tǒng)一般電壓都大于250 V，因此操作人員存在觸電的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

圖2 絕緣耐壓測(cè)試示意

圖3 測(cè)試位置

3.1.2 取出電池模組

部分項(xiàng)目的電池包箱體底部涂有導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠，導(dǎo)致電池模組底部與電池包箱體粘接在一起，人員使用吊鉤無(wú)法將電池模組從電池包中抬出，該方案人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，效率較低。廢舊動(dòng)力電池單體的拆解有很多安全隱患，殘余的電量加上不規(guī)范的操作，很可能引發(fā)自燃甚至爆炸，直接威脅拆解人員和設(shè)備的安全[5]。

3.1.3 串并聯(lián)焊點(diǎn)分離

需要人工使用偏口鉗將匯流排撕下，再使用鏨刀將焊核砸掉，最后使用打磨器將電池極柱表面磨平。該方案對(duì)于員工技能要求高，容易造成電芯損傷，并且效率低。

3.1.4 端側(cè)板分離

需要人工使用鏨刀將端側(cè)板焊接處砸開，該方案對(duì)于員工技能要求高，人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，效率較低，并且存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.5 電芯分離

需要人工用手掰2支相鄰電芯，將電芯進(jìn)行分離，人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，效率較低，并且存在電芯短路的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.6 單體電池電壓及內(nèi)阻測(cè)試

首先掃描電芯二維碼，然后人工使用電壓內(nèi)阻測(cè)量?jī)x將表筆夾在電芯正、負(fù)極柱上，將電壓、內(nèi)阻數(shù)值記錄在Excel 表中，需要人工對(duì)確認(rèn)測(cè)試結(jié)果是否合格。該方案測(cè)試效率較低，并且存在信息錄入錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.7 電池藍(lán)膜清潔

首先用手將電芯藍(lán)膜撕除，由于藍(lán)膜的膠與電池殼粘接牢固，導(dǎo)致藍(lán)膜無(wú)法撕除干凈，還需要將剩余部分進(jìn)行清除，做了各種實(shí)驗(yàn)，目前有2 種方式可以清除。

方式1：使用碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate，DMC）溶液浸潤(rùn)含有殘膠的電池外殼，將殘膠進(jìn)行溶解，然后使用橡皮膏將殘膠粘下來(lái)。

方式2：使用DMC 溶液浸潤(rùn)含有殘膠的電池外殼，將殘膠進(jìn)行溶解，然后使用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 （Polyethyl Eneglycol Eerephthalate，PET）打包帶或者其他非金屬材質(zhì)的物品將殘膠清下來(lái)，保證電芯外殼不被劃傷。

以上2 種方式清潔時(shí)間均很長(zhǎng)，清潔1 支電池時(shí)間超過(guò)1 h，并且會(huì)消耗很多材料、清潔難度大、清潔強(qiáng)度高。

3.2 解決措施

3.2.1 電池包、電池模組絕緣耐壓測(cè)試

搭建絕緣耐壓測(cè)試站，通過(guò)自動(dòng)化的測(cè)試方法替代人工操作環(huán)節(jié)，提高測(cè)試效率及測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，人員操作時(shí)需要佩戴絕緣耐壓手套將測(cè)試夾子夾到電池包/模組的總正、電池包/模組的總負(fù)、電池包/模組加熱口以及電池包/模組外殼。通過(guò)軟件控制繼電器閉合/斷開，分別測(cè)試電池包/模組的總正與外殼；電池包/模組的總負(fù)與外殼；電池包/模組加熱口與外殼；電池包/模組加熱口對(duì)總正的絕緣耐壓值，絕緣耐壓數(shù)值可以直接上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）。該方案操作簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)間短，并避免出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 取出電池模組

搭建龍門吊機(jī)構(gòu)，將龍門吊固定在地面上，在龍門吊上安裝電池包固定工裝，并在龍門吊上安裝電池模組的吊裝工裝，拆解時(shí)人員需要將電池包通過(guò)固定工裝固定在龍門吊上，然后將吊裝工裝的吊鉤吊在電池模組上，使用操作手柄控制吊裝工裝上升，將電池模組從電池包中取出。該方式可以解決輕松將電池模組從電池箱中拆出，避免出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 并聯(lián)焊點(diǎn)分離

安裝銑床設(shè)備，銑床臺(tái)面上安裝電池模組固定工裝，銑刀做限位裝置。操作人員首先將電池模組擺放在銑床臺(tái)面上，使用固定工裝對(duì)其進(jìn)行固定，其次針對(duì)匯流排材質(zhì)、匯流排厚度、焊接面積選擇合適的銑刀并設(shè)置轉(zhuǎn)速及限位，再次人員通過(guò)搖臂控制銑刀下降速度，銑掉匯流排與電池極柱焊接位置，將電池與匯流排分離，最后檢查電池極柱，保證極柱面平整度，如平整度有問(wèn)題，用打磨器對(duì)其進(jìn)行磨平處理，該方案可保證電芯不會(huì)損傷，并且效率高。

3.2.4 端側(cè)板分離

安裝切割設(shè)備，切割設(shè)備臺(tái)面上安裝電池模組固定工裝，切片做限位裝置，操作人員首先將電池模組擺放在切割設(shè)備臺(tái)面上，使用固定工裝對(duì)其進(jìn)行固定，其次針對(duì)側(cè)板材質(zhì)、厚度選擇合適的切片，并設(shè)置轉(zhuǎn)速及限位，最后人員控制切割與端板貼合處的側(cè)板，將端板與側(cè)板分離，該方案可保證拆解效率高，避免出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.5 電芯分離

人工使用楔形絕緣塊分離相鄰電芯，可降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升效率，避免出現(xiàn)電芯短路的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.6 單體電池電壓及內(nèi)阻測(cè)試

搭建電池電壓及內(nèi)阻測(cè)試設(shè)備，通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試方法替代人工操作環(huán)節(jié)，提高測(cè)試效率及測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，人員需要將電池?cái)[放在測(cè)試框中，不同型號(hào)的電芯需要更換測(cè)試框內(nèi)襯及測(cè)試針板，并在測(cè)試設(shè)備中設(shè)定電壓、內(nèi)阻的范圍，通過(guò)軟件控制繼電器閉合/斷開，分別測(cè)試各個(gè)電池的電壓、內(nèi)阻，電壓、內(nèi)阻數(shù)值可以直接上傳到MES 中，并且設(shè)備界面中還會(huì)顯示出每支電池測(cè)試是否合格，人員可直接將測(cè)試合格的電池與測(cè)試不合格電池進(jìn)行分類處理，該方案測(cè)試效率高，不存在信息錄入錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.7 電池藍(lán)膜清潔

安裝電芯藍(lán)膜激光清洗設(shè)備，激光清洗臺(tái)面上需要安裝電芯定位工裝。首先將電池外殼的結(jié)構(gòu)膠使用鏨刀進(jìn)行清除，保證電芯藍(lán)膜的潔凈度。其次將電池?cái)[放在定位工裝上，被清潔的一面朝上，激光清洗設(shè)備分別對(duì)5 個(gè)面進(jìn)行激光清洗。最后對(duì)電芯清潔效果進(jìn)行檢查，如每一面清潔不徹底，在該面繼續(xù)進(jìn)行一次激光清洗。該方案可保證清除后電芯表面無(wú)損傷、清潔效率高，也給操作人員提供了舒適的工作條件。

4 退役電池拆解方法升級(jí)展望

4.1 電池包、電池模組絕緣耐壓測(cè)試

（1）機(jī)械手將電池包/模組抓取至絕緣耐壓測(cè)試工位上。

（2）掃描電池包追溯碼，通過(guò)國(guó)標(biāo)碼識(shí)別，與國(guó)家系統(tǒng)追溯平臺(tái)對(duì)接，獲取拆解拆解電池包初始信息（電壓、內(nèi)阻、體系等）。

（3）通過(guò)電荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）檢測(cè)識(shí)別，獲取電池包/模組尺寸等特征信息。

（4）探針自動(dòng)按壓至測(cè)試點(diǎn)位，絕緣耐壓測(cè)試儀通過(guò)軟件控制繼電器閉合/斷開，分別測(cè)試電池包/模組的總正與外殼、電池包/模組的總負(fù)與外殼、電池包/模組加熱口與外殼以及電池包/模組加熱口對(duì)總正的絕緣耐壓值，絕緣耐壓數(shù)值可以直接上傳到MES。

4.2 取出電池模組

（1）線體上配有多軸機(jī)器人，并在多軸機(jī)器人上配套電池模組兼容性強(qiáng)的抓取機(jī)械手。

（2）拆解時(shí)由機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，精準(zhǔn)識(shí)別電池模組位置。

（3）機(jī)械手自動(dòng)從電池箱內(nèi)將電池模組抓取至線體。

4.3 并聯(lián)焊點(diǎn)分離

（1）線體上配有伺服銑削控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單體電芯極柱與Basbar 無(wú)損分離。

（2）模組流轉(zhuǎn)到工位后，自動(dòng)對(duì)模組進(jìn)行固定，使用激光視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，精準(zhǔn)識(shí)別模組焊點(diǎn)位置。然后使用銑刀自動(dòng)清洗焊點(diǎn)位置，保證電池表面無(wú)損。

（3）人工將上支架組件取下。

4.4 端側(cè)板分離

（1）線體上配有伺服切割控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池模組端板與側(cè)板自動(dòng)切割。

（2）使用激光視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，精準(zhǔn)識(shí)別模組位置。

（3）通過(guò)精準(zhǔn)定位定向定壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池模組端板與側(cè)板分離，保證電池表面無(wú)損。

（4）機(jī)械手將端板及側(cè)板取下。

4.5 電芯分離

（1）線體先進(jìn)的CCD 識(shí)別間隙與伺服切刀控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)單體電芯無(wú)損分離。

（2）模組流轉(zhuǎn)到工位后，壓頭按壓被分離的相鄰電芯，夾爪抓取被分離的電芯，使用絕緣片切割縫隙處，使兩支電池分離，然后夾爪將分離的電芯放于電池電壓及內(nèi)阻測(cè)試工位。

4.6 單體電池電壓及內(nèi)阻測(cè)試

（1）搭建多軸機(jī)器人并在多軸機(jī)器人上配套兼容性強(qiáng)的單體電池測(cè)試針板，并在測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)定電壓、內(nèi)阻的范圍。

（2）由機(jī)器人通過(guò)MES 系統(tǒng)，精準(zhǔn)對(duì)單體電池（合格/不合格）進(jìn)行分選。

4.7 電池藍(lán)膜清潔

（1）搭建多軸機(jī)器人，并在多軸機(jī)器人上配套兼容性強(qiáng)的單體電池抓取機(jī)械手。

（2）由多軸機(jī)器人機(jī)械手抓取單體電池與激光清洗頭協(xié)作完成單體電池5 個(gè)面的激光清潔。

5 結(jié) 論

通過(guò)篩選拆解、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、重新組合等流程，針對(duì)以上關(guān)鍵工序進(jìn)行改善，可以更好地解決退役電池系統(tǒng)拆解難題，使退役動(dòng)力電池系統(tǒng)繼續(xù)充分發(fā)揮電池剩余壽命，進(jìn)一步降低動(dòng)力電池全生命周期成本，再利用到儲(chǔ)能（電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷、風(fēng)光儲(chǔ)能、鐵塔基站）及低速電動(dòng)車等領(lǐng)域。