【《车用动力电池生命周期循环模型分析》3000字】

车用动力电池生命周期循环模型分析由于车用动力电池的全生命周期循环涉及了大量工艺、材料、能源消耗及各类使用状况，为了保证不同技术路线的能源消耗和等效碳排放的可比性，需要通过模型建立统一的边界。本节主要介绍生命周期循环模型的框架和边界，以及对各环节内容的基本介绍和假设，从而建立整个研究模型的基础。1.1模型定义和边界本研究对车用动力电池生命周期循环评估指的是通过一个综合的统一模型，同时对能源消耗和等效碳排放两个维度进行评估，并进而对比分析各项回收处理技术的环境亲和性和可持续发展性。因此，本模型的结构将从三个生命周期出发，在每个环节对能源消耗和等效碳排放在统一的边界内进行评估，并综合在一起对全生命周期循环进行计算、对比、评估。模型的总体框架图如图2.5所示。模型整体分为三个部分，即车用动力电池在全生命周期的三个阶段，其中生产阶段包括了一次电池的开采、精炼、制造和装配阶段，以及二次电池完全生产的各个阶段；使用阶段包括了车用动力电池在电动汽车上使用直至报废的全部阶段，由于对动力电池的故障目前暂不采取维修并装配回原车的手段，故本阶段不考虑零部件维修与更换的环节，仅考虑电动汽车行驶过程中的电能消耗量，寿命受损由事故率代为计算；回收阶段则与退役车用动力电池回收处理模型相对接，考虑车用动力电池退役后从收集到完成回收处理期间的各项投入与产出。整体模型由三部分加和得到评估结果，在三种处理技术之间进行比较。在能源消耗和等效碳排放的计算上，在生产阶段，原材料的开采、精炼过程产生各项金属原料、非金属原料，这部分需要消耗能源，能源等效碳排放因子可以与能源产生对应关系并进行计算，在制造和装配过程中，同样在工厂中需要消耗能源，根据工艺流程的不同有所区别，计算方式与上述相同；在使用阶段，电动汽车在行驶过程中消耗电能及化石燃料，化石燃料有自身固有的碳排放量计算，而电能将通过当年中国国家发电结构对等比例的煤炭、化石能源等进行加权计算，这部分燃料的全生命周期包括其开采、转化和燃烧过程；在回收阶段，一方面回收处理技术中会需要投入各种物质维持工艺进行，这部分投入的物质和工艺条件会有等效碳排放因子进行计算，另一方面回收处理技术得到的物质和能源服务可以视作对相同物质生产过程的节约，替代生产过程中的能源和材料消耗，对碳排放具有降低作用，需要在计算时进行扣除。图2.5车用动力电池全生命周期循环模型结构图1.2车用动力电池生产阶段生命周期评估模型在总体模型的框架下，生产阶段的全生命周期需要进一步细化以实现可计算性。模型生产阶段的总体逻辑是将动力电池分解为各个组成部分，将各个组成部分再分解为各个材料，通过对各个材料的生产、各个组分和动力电池组装以及动力电池装配到电动汽车时的能源消耗来计算各个材料对能源消耗和碳排放的影响。从结构构成的角度来说，车用动力电池分为电池片模块、绝缘层、外包装等结构，电池片模块可以进一步分为正极活性材料、负极活性材料、电解液、隔膜、集流体、极耳等成分，以及在生产过程中需要加入的导电剂、粘结剂以及其他溶剂等。车用动力电池单体结构示意图见图2.6。电池中还包括一些管理系统成分，如电池管理控制单元、冷却系统、热管理系统等电子元件。图2.6车用动力电池单体结构示意图进一步从各类成分的原材料来说，对于不同类型的动力电池，其构成的各种成分和所占比例也是不同的。磷酸铁锂电池的正极活性材料为橄榄石结构的磷酸亚铁锂（习惯称为磷酸铁锂），而镍钴锰三元锂电池的正极活性材料为层状结构的镍-钴-锰酸锂，依据镍元素、钴元素、锰元素的所占比例不同，还可以进一步划分为NCM333、NCM523、NCM622、NCM811等。两者的其他组成成分大致相同，在含量上有所区别。负极活性材料以石墨为主，石墨的结构为片层结构，层内为每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连的六边形结构，层间以范德华力相结合，这种结构使得石墨具有导电性好、导热性好、耐腐蚀等特点。此外还有硅碳、碳纳米管、石墨烯等负极活性材料存在。电解液位于正负极间，充分浸润了正极、负极、隔膜等结构，也渗透入正负极多孔电极内部以及壳体内的其他自由位置。电解液作为极间离子传导的通路，需要能够容纳锂离子自由通过，一般选取高纯度的有机溶剂如碳酸乙烯酯（EthyleneCarbonate,EC）、碳酸二甲酯（DimethylCarbonate,DMC）或易溶于有机溶剂的锂盐如六氟磷酸锂LiPF6隔膜是电池内将正负极分隔开的薄膜，材料上主要有聚丙烯（polypropylene,PP）、聚乙烯（polyethylene,PE）兼有其他各类新型材料如无纺布复合陶瓷等，一般有PP单层膜、PE单层膜和PP/PE/PP三层复合膜等结构形式。隔膜厚度一般为8~100μm，形状也不尽相同。隔膜为有机材料，故对环境的破坏性较强，也需要进行重点回收。在正负极材料中，除了反应物之外还需要加入导电剂、粘结剂及其他溶剂。一般地，正极导电剂主要为导电性优良的乙炔黑，粘结剂主要为聚偏氟乙烯（poly(vinylidenefluoride),PVDF）以及作为PVDF的溶剂和材料稀释剂的N-甲基吡咯烷酮（N-Methylpyrrolidone,NMP）。负极材料石墨的导电性很强，一般加入PVDF作为粘结剂以及NMP作为溶剂即可。集流体是电池包内将电流进行汇集输送给极耳的结构，一般为金属箔，起作用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出。一般在锂离子电池上，正极集流体多使用铝箔，负极集流体多使用铜箔。极耳是将正负极从电池包中引出来的金属导电体，正极一般使用铝材料，负极一般使用镍材料或者铜镀镍材料，由两片PE或PP的胶片夹一片金属片而制成。车用动力电池的生产过程中，除原材料各自的制造过程，在装配中，需要有大量的机械设备运作，并在生产后对电池包进行低温保温。这些加工所需工艺和能源都需要计入能源消耗和等效碳排放中。1.3车用动力电池使用阶段生命周期评估模型在总体模型框架下，使用阶段在全生命周期中占据重要地位，也是重要的能源消耗和碳排放来源。这部分的计算评估并不复杂，主要是驾驶时的燃料的消耗、电池放电等效消耗、电池充放电损耗、基础设施建设等内容。电动汽车驾驶时的燃油消耗计算逻辑有两种，一种是按照国家选定的驾驶循环，按照每年一定天数、每天一定小时数进行模拟计算，目前我国编订的中国汽车行驶测试循环工况（ChinaAutomotiveTestCycle,CATC）中有对于不同类型的新能源汽车编订的不同的循环工况。这种计算方式能够充分考虑驾驶循环不同对于电动汽车在加速、减速、匀速等不同行驶条件以及不同车速下的燃料消耗和电能消耗，但是却无法衡量电池的充放电行为，无法计入电池的循环寿命。另一种逻辑是对电池的日用电量进行估计，通过计算充放电频率和充放电深度，代入循环寿命中计算车用动力电池的可使用时长。这种方式难以估计同时段的燃油消耗量，且无法考虑到不同日期之间可能存在的驾驶行为差异。本研究主要聚焦于电动汽车动力电池的寿命与行为，故采取后一种方式进行计算。关于基础设施建设，由于电动汽车需要配备数量庞大的充电桩和充电站，且目前中国此方面的基础设施建设尚不完备，因此需要进行大量补充。本研究中对于车用动力电池使用阶段生命周期计算中也计入了充电设施的建设成本和维护成本。1.4车用动力电池回收处理阶段生命周期评估模型在总体模型框架下，回收处理阶段在全