基于AnyLogic的車用鋰電池回收模型仿真

鄭春燕，張 海，郭 棟,王 娟，李春棟

(1.山東理工大學 管理學院，山東 淄博 255012；2.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

自從2009年實行新能源汽車“十城千輛工程”以來，全國新能源汽車的市場份額不斷提高，由此而帶來大量電動汽車廢舊電池亟需回收處理[1]。據(jù)預測，到2020年，報廢量將達到20萬t，累計報廢量50萬t;2024年前后，動力電池報廢量將達到34萬t，累計報廢量將達到116萬t[2]。針對電池回收的問題，《電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策(2015年版)》正式明確建立動力電池編碼制度和可追溯體系；在資金激勵措施上，國家在現(xiàn)有資金渠道內(nèi)對梯級利用企業(yè)和再生利用企業(yè)的技術(shù)研發(fā)、設備進口等方面給予支持；在技術(shù)研發(fā)方面，國家支持動力蓄電池相關(guān)回收利用技術(shù)和裝備的研發(fā)[3]。七部委印發(fā)的《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》(工信部聯(lián)節(jié)[2018]43 號)提出落實生產(chǎn)者責任延伸制度、政府引導與市場相結(jié)合、設立廢舊動力電池回收處理基金等多方面行業(yè)發(fā)展建議[4]。由于我國的電動汽車起步相對較晚，動力電池回收利用網(wǎng)絡尚未啟動，電池企業(yè)及相關(guān)儲能企業(yè)在動力電池回收業(yè)務上大多剛剛布局，因此亟需盡快制定實施與當前電動汽車發(fā)展相適應的電池回收網(wǎng)絡模型。

目前關(guān)于廢舊電池回收研究可以分為兩類：(1)對于徹底不能恢復使用的報廢電池的研究，核心內(nèi)容是對電池電極材料中有價金屬進行回收；(2)對于還有殘余容量的電池的再利用研究，重點是對已經(jīng)使用過并且額定容量下降至80%左右的電池進行重新檢測、分選、組合、再利用[5]。依據(jù)電池的發(fā)展情況和市場環(huán)境需求，未來電池回收再利用必將向著綜合利用以及多樣化處理的方向發(fā)展。

本文建立互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)+服務的網(wǎng)絡模型，建立線上線下全方位服務系統(tǒng)，實現(xiàn)線上查詢、線下回收流通，構(gòu)建國家級信息化平臺，建立專門的回收管理系統(tǒng)網(wǎng)絡；建立以大型電池生產(chǎn)企業(yè)為龍頭的聯(lián)合經(jīng)銷商和回收利用企業(yè)的專業(yè)化回收網(wǎng)絡，有利于電池生產(chǎn)的統(tǒng)一化、標準化；利用銷售途徑建立逆向物流回收網(wǎng)絡，依靠法律政策明確回收網(wǎng)絡中各環(huán)節(jié)主體的責任，保證回收網(wǎng)絡切實高效可行；最后用AnyLogic軟件在理想狀態(tài)下對模型進行仿真。

1 電池回收模型建立

1.1 電動汽車鋰電池回收模型

本文所建立的回收路徑網(wǎng)絡模型在運行過程中，詳細記錄動力電池從生產(chǎn)、使用、回收、梯級利用的全生命周期過程，構(gòu)建過程可查核、可測量的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對回收網(wǎng)絡中各節(jié)點的統(tǒng)一監(jiān)管，為各項制度的制定提供可靠的數(shù)據(jù)支持。各電池銷售點同時也是回收點，消費者將電池送往回收點，再由回收點經(jīng)回收網(wǎng)絡送往回收中心，回收中心要做檢測，一部分報廢分解，一部分進入梯級利用企業(yè)，一部分經(jīng)過修復后再進入電動汽車網(wǎng)絡，這是一種基于動力電池的生產(chǎn)、消耗、回收和資源再利用的全生命周期模型[6]，所建回收模型如圖1所示。

圖1 電池回收路徑網(wǎng)絡示意圖Fig.1 The path network schematic diagram of battery recycling

1.2 各方責任以及技術(shù)要求

相關(guān)部門要研究制定回收行業(yè)的準入條件，推動相關(guān)技術(shù)標準體系建設，用法規(guī)制度明確各環(huán)節(jié)的責任主體[7]。生產(chǎn)者有義務在產(chǎn)品的全生命周期的整個過程中承擔環(huán)保責任；各銷售商有責任對廢舊產(chǎn)品進行回收；加強企業(yè)、媒體的宣傳教育，讓廣大消費者認識到廢舊動力電池對環(huán)境和人體健康危害的嚴重性，增強消費者的環(huán)保意識，使消費者積極參與廢舊動力電池的回收處理過程中；回收中心承擔廢舊電池的檢測、分類、拆解等工作[8]；回收監(jiān)測中心對回收的廢舊電池容量進行鑒定。如果電池容量高于80%，則送往電池生產(chǎn)企業(yè)進行修復處理；如果電池容量低于80%高于30%，則運往梯級利用企業(yè)再利用；如果電池容量低于30%，就運往分解處理中心用環(huán)保的方式進行分解處理，回收有價值的原材料。

2 電池回收模型仿真

2.1 AnyLogic軟件基本介紹

目前基于Agent的復雜適應系統(tǒng)建模有AnyLogic、Swarm等仿真平臺，其中AnyLogic平臺是應用最廣泛的平臺之一。它是在復雜適應系統(tǒng)理論基礎上開發(fā)的標準計算機仿真多主體軟件工具集，其功能模型庫完整，功能強大，可以模擬物理系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)或社會系統(tǒng)，且為開源軟件，較為適合研究性工作的開展，是一個靈活、高效、可靠的仿真環(huán)境，目前在經(jīng)濟、交通、電力系統(tǒng)等領域應用廣泛[9]。AnyLogic軟件不僅涵蓋了建模的全周期所需要的各種功能和要求，還具有二維以及完善的三維模型顯示功能。Agent作為自主的個體，在一定目的驅(qū)動下，具有對自身行為和內(nèi)部狀態(tài)的自我控制能力，能夠不受人或其他Agent的直接干預。為建立科學合理的廢舊電池回收模式，本文選取AnyLogic平臺進行基于多智能體的廢舊電池回收模型仿真開發(fā)。

2.2 回收模型仿真相關(guān)參數(shù)設置

在該模型的建立仿真過程中，首先在理想狀態(tài)下做出假設：(1)統(tǒng)計數(shù)字顯示，近年來電動汽車產(chǎn)銷量相差較小，因此假設電池生產(chǎn)廠商的產(chǎn)銷平衡，不存在滯銷現(xiàn)象；(2)在國家宏觀調(diào)控下建立并運行該模型，文中提到的政策和技術(shù)可以在相應的場合順利應用；(3)只考慮電池生產(chǎn)商為供給電動汽車運行而生產(chǎn)的電池量，不考慮用于通訊、新能源儲能等其他領域的電池；(4)假設電動汽車的壽命為120個月，電池的壽命為40個月；(5)假設電池只在達到使用壽命時才報廢，忽略因其他因素導致的電池報廢的情況。

在理想狀況下，電池與電動汽車按3∶1的比例生產(chǎn)，由電動汽車2016年年產(chǎn)量80 000輛，得到電動汽車電池年產(chǎn)量為240 000塊，即每周生產(chǎn)4 615塊。為分析方便，將數(shù)據(jù)按比例縮小200倍，即設電池單體初始值有1 200塊，模型每一步長代表一周，一周生產(chǎn)率為24塊，在產(chǎn)銷平衡情況下電池生產(chǎn)數(shù)量等于運往下一級的數(shù)量。數(shù)據(jù)預測得到2017年電池的生產(chǎn)量為420 000塊，按比例縮小200倍得到年產(chǎn)量為2 100塊，之后每年都按相同比例增長；因為假設電池壽命為40個月，則設置處于電動汽車上的步長為171，運往汽車制造商的電池比例為1/3，剩余的運往各銷售商；1年按52周計，設置520個步長可得到10年中相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果。

模型參數(shù)設置如圖2 所示。其他主要的參數(shù)還包括：

1)My_New_Flag：記錄該電池是新電池還是二次電池，在動力電池進入in_Bat_Retailer_Recycle后，由于分銷商具有回收機制，故根據(jù)該參數(shù)判斷此電池是新電池還是廢棄的電池，從而決定進入回收中心還是繼續(xù)配送給車輛。

圖2 模型參數(shù)設置Fig.2 Setting model parameter

2)2nd_Car_Maker：經(jīng)過修復后再次進入到汽車供應商之中的電池。

3)增長率為每個步長41塊，電池生產(chǎn)商生產(chǎn)的電池按1∶2的比例分別運往汽車制造商和分銷商處，回收中心的處理方式按1∶1∶1的比例將回收的電池分別送往汽車制造商、梯級利用企業(yè)以及報廢拆解處理。

2.3 基于AnyLogic的電池回收模型仿真

模型構(gòu)建基本思想為：電池生產(chǎn)商生產(chǎn)出來的電池一部分運往電動汽車生產(chǎn)商，一部分運往電池總經(jīng)銷商，然后通過各分銷商零售商賣往全國各地的消費者。本模型中，假定一個步長模擬現(xiàn)實生活中的一周，模擬10年的時間共執(zhí)行520步，其他的參數(shù)設置如2.2節(jié)所述。

設定電池有8個狀態(tài)，每個模型運行過程中的狀態(tài)在仿真二維圖、三維圖中都用不同的顏色顯示，狀態(tài)圖中主要采用兩種方式進行狀態(tài)遷移的驅(qū)動：基于時間Timeout(即到達一定時間后發(fā)生相應的狀態(tài)轉(zhuǎn)變)與基于速率Ratio(即按一定速度發(fā)生狀態(tài)變化)，各個變量的取值由主界面中的對應參數(shù)配置根據(jù)現(xiàn)實數(shù)據(jù)確定，其初始值可通過調(diào)節(jié)bar區(qū)域中的滑塊控件來進行設置，動力電池狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 動力電池的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 Fig.3 The state transition diagram of power battery

模型設置一個動力電池智能體(H_Battery)，采用該智能體的狀態(tài)變遷模擬單一動力電池的全生命周期變化情況，通過該智能體的數(shù)量變化分析規(guī)模化的動力電池發(fā)展與需求。系統(tǒng)主要包括以下狀態(tài)：

1)In_Bat_Maker：電池處于電池生產(chǎn)商的狀態(tài)，藍色；

2)In_Car_Maker：電池處于電動汽車生產(chǎn)商的狀態(tài)，綠色；

3)In_Car：電池處于電動汽車的狀態(tài)，黃色；

4)In_Bat_Retailer_Recycle：電池處于電池分銷商/回收商的狀態(tài)，深綠；

5)In_Bat_Recycle_Center：電池處于回收中心的狀態(tài)，深灰綠；

6)In_Disposed：電池處于被丟棄的狀態(tài)，深灰色；

7)In_Secondary：電池處于梯級利用狀態(tài)，磚紅色；

8)Removed：電池被移除模型，即電池報廢分解掉，并對有用資源完成回收，淺灰色。

每塊動力電池在產(chǎn)生后，都會有一個編碼，從h_Batteries[0]開始編碼，想要查詢電池某一時刻的狀態(tài)，可以在狀態(tài)欄的h_Batteries[..]后輸入要查詢的編碼，該電池對應的狀態(tài)會在狀態(tài)圖中顯示出來，通過對電池編碼實現(xiàn)從生產(chǎn)到回收全過程可追溯。

3 仿真結(jié)果分析

利用AnyLogic軟件的智能體理論，對所建立的回收路徑網(wǎng)絡模型在理想狀態(tài)下進行仿真，分析各主要指標的變化規(guī)律。

如圖4所示，該模型中電池應用途徑的時間點包括4個階段：在模型建立的初期即前3年報廢的電池、梯級利用的電池以及再次恢復使用的電池都比較少，回收效果不明顯；在模型實施的中期即在第3～4年回收再利用的電池數(shù)量急劇增加，電池修復再利用、梯級利用、報廢處理的電池量各占總量的約1/3；在第4～7年初期變化平緩，之后回收增速加快；在模型實施的后期即在第7～10年回收模型進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 電池應用途徑時間點Fig.4 The time point of battery application

出現(xiàn)4個階段的原因在于：在前3年，由于模型建立之初新電池的比例較大，并沒有形成有效的回收路徑，故回收效果不明顯；在第3～4年，由于模型初期電池已到達規(guī)定的使用壽命(40個月)，可以進行正規(guī)檢測并合理分配流向，以各1/3的比例流向報廢、修復再利用、梯級利用三個途徑；在第4～7年由于新的一輪電池循環(huán)開始，初期變化平緩，之后回收增速加快；在第7～10年，由于進入恢復翻新過程的電池比例增多，電池生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)新電池的量相應減少，從而使電池總量的增速相對平穩(wěn)，但總電池的供應量仍能滿足目前的市場需求，說明回收模型實施效果比較好。

4 結(jié)論

本文建立電動汽車鋰電池回收模型，應用AnyLogic軟件智能體理論在理想狀況下對模型進行仿真，結(jié)論如下：

1)該模型在相關(guān)政策與技術(shù)的支持下，基于生產(chǎn)者責任制，通過各經(jīng)銷商和龍頭生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合建立回收中心，符合基于生產(chǎn)者責任延伸制度的“污染付費”原則，也有構(gòu)建全國性回收網(wǎng)絡的能力。

2)相關(guān)部門對所構(gòu)建的網(wǎng)絡的各個環(huán)節(jié)提出政策建議，明確各個主體的責任，為電動汽車鋰電池實現(xiàn)良好的回收利用提供技術(shù)支撐。

3)建立以互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)+服務的網(wǎng)絡模型，對電池實行編碼制度，且在互聯(lián)網(wǎng)平臺上實時記錄并可以查詢電池從生產(chǎn)、使用、回收、再利用、報廢的整個生命全周期的過程。

4)運用AnyLogic對電池全生命周期進行仿真，結(jié)果表明建立的回收模型能夠使循環(huán)使用的電池大幅增加，顯著減少新電池投入使用和廢舊電池產(chǎn)生，實現(xiàn)了電動汽車廢舊電池良好的回收利用。