退役電動汽車充電設施拆解技術研究進展

陳 龍，徐觀明，陳 進，王九飆

（湖南綠色再生資源有限公司，長沙 410699）

近年來，隨著數字信息化、人工智能化的發展，新能源汽車產業飛速前進，作為與新能源汽車相配套的新型基礎設施，充電設施被納入新基建七大領域之一。根據國家能源局發布的數據，2022 年上半年，我國新增充電樁130 萬臺，已累計建成充電樁392 萬臺，形成全球規模最大的充電基礎設施，其中，公共充電樁增量同比上漲199.2%，私人充電樁數量同比上升390.1%。截至2022 年7 月，全國充電基礎設施累計數量為398.0 萬臺，同比增加97.5%。預計2045 年電動車滲透率達100%，電動車達3 600 萬輛/年。假設車樁比在2030 年達到1 ∶1，則2060 年充電樁總數將超過5 億個。

隨著國家鼓勵政策的出臺，充電設施大幅增加，目前，樁車增量之比為1.0 ∶2.1，充電設施作為發展新能源汽車產業的重要保障[1]，規模和速度沒有跟上整車的發展步伐，與國家規劃目標（車樁比達到1 ∶1）相比還有較大差距。因此，充電樁的建設也進入快速發展期來適應新能源汽車的更新換代。這導致前期所制造的充電樁使用接口、頻率、配置、性能等達不到要求，須進行報廢處理。此外，首批建設的電動汽車充電設施服役至今已超過10 年，開始批量進入退役階段，因此規范化回收拆解充電設施將成為新能源汽車全產業鏈可持續發展不可或缺的一環。

1 退役電動汽車充電設施拆解的必要性

我國自2009 年正式啟動新能源汽車發展戰略的全面布局，充電設施是新能源汽車配套的基礎設施。充電設施主要由內部元器件、外殼殼體、連接裝置及電線電纜等組成。內部元器件包括電源模塊、電路板、計費控制單元、顯示屏、熔斷器、繼電器及防雷設備等，在拆解過程中可能產生粉塵和噪聲污染。特別是被列入《國家危險廢物名錄（2021 年版）》的電路板，在資源化過程中可能產生有毒有害物質，不當的拆解方式會造成環境污染，同時危害工人身體健康[2]。退役充電樁進行報廢拆解時，可進行各個元器件的評估，回收后可將其處理后重復利用，比如，電池被物理分離得到鈷、鋰、錳、鎳等后，可重復使用。

廢舊充電樁零部件蘊含大量的鋁、鐵、銅（含電纜）、線路板以及模塊組件等，均可再生利用，拆解后高值部件的價值合計約3 萬元/臺[3]。質量上，交流充電樁為7～20 kg/個，直流充電樁為100～420 kg/個。以某型號的充電樁為例，其拆解產物及占比如表1 所示。廢舊充電樁中，有價值產物品類豐富，若將該數據作為參考，按每年拆解萬臺退役充電樁計算，每年可回收各類資源500 t，其中，鐵有300 t，銅有100 t，鋁有50 t，塑料有50 t。由此可見，若實現退役充電設施的拆解回收，可產生積極的環境效益，同時帶來較好的經濟效益。

表1 充電樁拆解產物和占比

2 退役充電設施拆解回收現狀

近年來，隨著國家乃至全球對能源和環境越來越重視，各國都在大力發展電動汽車產業。退役充電設施主要分為交流充電樁和直流充電樁。交流充電樁一般采用小電流，樁體較小，安裝靈活，充滿電一般需要6 ～8 h，適用于小型乘用電動車。直流充電樁一般采用大電流，相比交流充電樁，其短時間內充電量更大，樁體較大，占用面積較大（散熱），服役周期為7 ～15 年。隨著新能源汽車充電樁產業的迅速發展和技術的更新迭代，首批建設的充電設施開始批量進入退役階段，但國內退役充電樁回收渠道不健全，報廢后的拆解與再利用技術研究很少，退役充電設施的處理基本由廢品回收企業回收并進行人工拆解，其處置過程為粗放式。

為避免大規模回收拆解充電設施造成嚴重的環境污染，廣東省標準化協會在2021 年4 月聯合廣東邦普循環科技有限公司、中國電器科學研究院股份有限公司等單位聯合制定了《退役電動汽車充電設施回收拆解技術規范》（T/GDBX 042—2021），為電動汽車充電設施的回收拆解提供技術指導，涉及退役充電設施回收拆解過程的術語和定義、一般要求、場地要求、人員要求、作業流程等，其中作業流程包括預處理、外部拆解、箱體拆解，還涉及貯存和管理要求、安全環保要求等多項內容。在退役充電設施的拆解回收處理過程中，應參照該標準全面考慮，這對落實退役電動汽車充電設施的資源回收、保護環境有積極意義。

3 退役充電設施拆解工藝

為減少環境污染，促進資源再生利用，有必要開展退役充電設施的拆解研究，分析退役充電設施拆解回收現狀，對拆解模型、拆解序列規劃等方面進行探索。主要拆解模型有無向圖模型、與或圖模型、有向圖模型、混合圖模型、Petri 網模型等[4-6]，主要評價指標包括拆解特征、拆解影響因素、拆解序列規劃[7-8]等。通過對拆解過程的研究，實現退役充電設施拆解序列規劃。

從拆解特征看，充電設施服役過程中，電子元器件的磨損、劃痕、變形、腐蝕、維修、替換等原因造成元器件狀態不確定。比如，電路板長期使用后，存在腐蝕、劃痕、裂紋、燒毀、污漬等特征，增加了人工拆解工位任務的不確定性。因此，在對退役充電設施拆解之前，必須對其拆解信息有充分掌握。

從拆解影響因素看，主要有連接類型、結構特性、拆解工具、待拆狀態、操作人員素質[9]。通過開展充電設施拆解試驗，連接類型有卡扣、螺釘、背膠、轉軸等，待拆狀態有元器件磨損、劃痕、腐蝕等因素評價指標。分析充電設施拆解過程的主要影響因素，加深對充電設施拆解過程的理解，更加高效地解決充電設施拆解的相關問題。元器件的拆卸過程歸根結底是元器件解除約束的過程。

拆解序列規劃是根據退役產品中元器件的結構和裝配關系，生成滿足一定約束條件和目標的元器件拆解序列的過程。對于拆解強度大、元器件數目較多的退役充電設施，其拆解序列不是唯一的，而人工拆解需要投入大量時間，且元器件缺陷識別的出錯率高。余海軍等[10]提出一種充電樁自動化拆解裝備及方法（見圖1），通過多個機械手臂實現對關鍵器件的切割、分離，基本實現充電樁的連續式批量拆解，但很難保證模塊無損拆解。因此，有必要對充電設施的拆解序列進行規劃，確定充電設施的合理拆解工藝。

圖1 充電樁自動化拆解裝備

針對某款直流充電樁進行拆解試驗，拆解以人工結合工裝工具方式進行。拆解后，常規結構包括高壓艙、低壓艙、模塊艙、充電槍、控制單元和殼體等，如表2 所示。樁體內部是各類電子器件，包括電流互感器、繼電器等，外殼主要由液晶面板和塑料件組成，充電槍部分主要由插頭、電線和各類塑料制件構成。進一步拆解，得到各種拆解產物。

表2 充電樁組成

總結退役產品拆解研究和人工拆解退役充電設施的實踐經驗，可通過人工拆解、基于機器視覺的自動拆解、移動拆解車等共同完成退役充電設施拆解。系統主要由信息采集、模塊拆解以及信號處理等模塊構成，拆解序列規劃以模塊化拆解為主。基于機器視覺的自動拆解設備可以拆除價值高、易拆解的固定件，揀出易抓取的關鍵器件，再對內部各功能模塊逐一拆除和分揀，不同類別的物料通過皮帶線輸送至分揀區。這就需要研究充電設施的關鍵零部件分揀技術，將機械手臂抓取和人工抓取相結合，完成產物的分離及分類收集。同時，開展充電設施關鍵器件的精準檢測與再利用技術研究，建立關鍵器件的可靠性評價模型和可再利用性評估體系。目前，國內外退役電動汽車充電設施拆解回收及再利用的研究很少，拆解設備、拆解工藝和回收處置規范化等方面都亟待突破。一是規范回收市場，健全回收渠道，確保廢舊產品流向正規回收拆解企業；二是研究整機自動化無損拆解技術，研究關鍵元器件識別與檢測，研究回收利用模式及污染控制技術規范，替代人工拆解，防止二次污染；三是加快出臺再生資源利用標準，引導和推進產業持續健康快速發展。

4 結語

近年來，我國電動汽車行業發展迅速，充電設施日趨多樣，部分已進入退役階段，需要進行合理拆解。這就需要準確把握充電設施拆解回收現狀，加強拆解工藝研究。但是，我國退役充電設施回收渠道不健全，回收拆解企業尚未形成完善的處理體系。未來，要加強政策引領，以企業為主導，加快研究退役電動汽車充電設施回收拆解技術，規范回收市場，健全回收渠道，創新回收利用模式，制定污染控制技術規范和再生資源利用標準，完善退役充電設施回收拆解體系，使拆解回收更加規范有序。