基于过程生命周期方法的动力...池碳足迹评价系统设计及开发

《汽车文摘》网络首发论文 基于过程生命周期方法的动力电池碳足迹评价系统设计及开发毕永强，李柏姝，刘世伟10.19822/j.cnki.1671-6329.202400902024-09-13毕永强，李柏姝，刘世伟．基于过程生命周期方法的动力电池碳足迹评价系统设计及开发[J/OL]．汽车文摘.https://doi.org/10.19822/j.cnki.1671-6329.20240090 题目：作者：DOI：网络首发日期：引用格式： 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。 基于过程生命周期方法的动力电池碳足迹评价系统设计及开发 毕永强李柏姝刘世伟 （沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳110159） 【欢迎引用】毕永强,李柏姝,刘世伟.基于过程生命周期方法的动力电池碳足迹评价系统设计及开发[J].汽车文摘，2024(XX):X-XX.【Cite this paper】BI Y Q,LI B S,LIU S W.Design and Development of a Carbon Footprint Evaluation System for Power BatteriesBased on PLCA[J].Automotive Digest(Chinese),2024(XX):X-XX. 【摘要】为了研究动力电池在整个生命周期中的碳足迹，设计开发一款易于操作的碳足迹评价系统。以过程生命周期（PLCA）方法为基础，结合Python和Django框架进行系统设计和开发。最后，利用该系统对磷酸铁锂电池（LFP）的碳足迹进行了定量分析。研究结果表明，在LFP动力电池的全生命周期中，碳排放量最高的是原材料制备阶段，达到3950.0987kg⁃CO2e，运输阶段的碳排放量最少，仅为45.661kgCO2e。 关键词：过程生命周期方法；动力电池；碳足迹；碳排放 中图分类号：U469.72文献标志码：ADOI:10.19822/j.cnki.1671-6329.20240090 Design and Development of a Carbon Footprint Evaluation System forPower Batteries Based on PLCA Bi Yongqiang,Li Baishu,Liu Shiwei （School of Automobile and Transportation,Shenyang University of Technology,Shenyang110159） 【Abstract】In order to study the carbon footprint of power battery in its whole life cycle,an easy-to-operate carbonfootprint evaluation system is designed and developed.Based on the Process-Based Life Cycle Assessment(PLCA)method,the carbon footprint evaluation system is designed and developed with Python and Django Framework.Finally,the carbonfootprintof lithium iron phosphate(LFP)battery is quantitatively analyzed by using the system.The results show thatthroughout the entire life cycle of power batteries,the highest carbon emissions occur during the raw material preparationstage,reaching3950.0987kgCO2e.The carbon emissions during the transportation phase are the lowest,with45.661kgCO2e. Keywords:Process-Based Life Cycle(PLCA)method,Power battery,Carbon footprint,Carbon emission 循环利用系统的能耗和碳足迹。孙杰[3]等针对废锂电池 回 收 再 生 高 镍 三 元 正 极 材 料（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,NCM811）三元前驱体典型湿法冶金工艺，从减污降碳的视角，对全流程各环节进行了生命周期综合评价分析。徐加雷[4]以《温室气体产品碳足迹量化要求和指南》（ISO14047:2018）为依据，以等量镍资源生产1t NCM811电池的正极材料为目标，对新能源汽车动力电池行业退役低NCM811电池回收再利用过程的碳足迹进行研究。吴奔奔等[5]对锂镍锰钴酸氧化物（Nickel Manganese Cobalt,NMC）与磷酸铁锂（LithiumIron Phosphate,LFP）2种动力电池按照梯次利用或循 0引言 当前，汽车行业的能源消耗高，碳减排的潜力比较大，所以现阶段对汽车产品的碳足迹研究势在必行。国家“十四五”规划纲要中提出，要加快壮大新能源汽车产业，加快推动绿色低碳发展[1]。动力电池凭借其优良的环保性能和较低的使用成本很快占据了传统燃油车的市场份额，成为实现双碳目标的重要途径。 关于动力电池碳足迹评估系统的研究，李建西[2]等采用生命周期评价方法分析了当前我国退役动力电池 环利用的2种路径进行情景分析，数据分析表明NMC动力电池通过循环利用更有利于碳减排；而LFP动力电池通过梯次利用更利于碳减排。陈轶嵩等[6]以某款已上市纯电动汽车为研究对象，分别匹配4款常用动力电池，基于软件建立生命周期评价模型，对其进行2021年与2030年全生命周期能源消耗与环境排放研究，并选取关键参数因子进行敏感性分析。 1.2动力电池模型 1.2.1原材料制备阶段 原 材 料 制 备 阶 段 是 将 矿 石 等 自 然 资 源 经 过 开采、运输、加工等过程制成金属或者非金属。原材料制备阶段的碳排放主要来源于资源开采、资源加工等工序所产生的碳排放量。原材料制备阶段碳排放的公式为： 综上所述，国内研究者采用生命周期评价方法，从不同角度对动力电池的碳足迹进行了研究，但是在汽车动力电池碳足迹评价系统的设计和开发方面的研究相对较少，导致相关领域的技术积累不足，影响了国内动力电池碳足迹评价技术的发展和创新。由于该领域缺乏深入研究，许多研究者在进行汽车动力电池碳足迹评价时，主要依赖国外的软件工具，这可能带来技术引进成本高、技术掌握不足等问题。此外，一些国外软件在操作上存在语言障碍、界面复杂、技术支持不足等缺点，导致国内研究者在使用这些软件时遇到困难，影响了研究效率和结果的准确性。因此本文旨在基于过程 生 命 周 期（Process-Based Life Cycle Assessment,PLCA）方法，使用Python和Django设计开发一款操作简单、界面友好的动力电池碳足迹评价系统，旨在为汽车行业的研发人员和开发者提供数据支撑。 式中：CA为原材料制备阶段的碳排放量，MAi为汽车动力电池各部分材料的质量，Ci为汽车动力电池各部分材料的碳排放因子[8]。 1.2.2运输装配阶段 运输装配阶段的碳排放量主要是交通工具和动力电池装配所产生的碳排放[9]。 考虑到运输工具从某一地点到另一地点返程时是空荷，引入修正系数t，即实际运距等于单程运输距离乘以t。 式中：n为运输方式类别，Gi为第i类运输方式动力电池运输量，Ji为动力电池从原材料制备地点到装配地点的运输距离，Di为所选运输工具的碳足迹因子，t为空车修正系数，根据文献[10]可知空载时的环境负荷是满载时的0.67倍，故取t=1.67。 1动力电池碳足迹核算方法分析 1.1碳足迹核算方法 碳足迹核算方法主要包括3种：投入产出的生命周 期 评 价 方 法（Economic Input-Output Life CycleAssessment,EIOLCA）、基于清单分析的过程生命周期评 价 方 法（PLCA）、混 合 生 命 周 期 评 价 方 法（HybridLife Cycle Assessment,HLCA）[7-8]。各方法的优缺点见表1。 式中：n为运输方式类别，Gi为第i类运输方式动力电池运输量，Fi为动力电池从原材料制备地点到装配地点的运输距离，Di为所选运输工具的碳足迹因子[9]。 根据文献[11]可知,电池装配阶段电能消耗与质量成正比，约为2.67MJ/kg[11]。装配阶段的碳排放量等于电能消耗乘以该区域电力碳排放因子。 1.2.3使用维护阶段 动力电池主要功能是为电动汽车提供电力，其使用阶段的能耗可分成2部分：一部分来源于电池充放电过程的电能损耗，另一部分来源于电动汽车承载电池质量所增加的电能损耗[12]。为评价该阶段能耗，本文假设车辆本身质量引起的能量消耗为电动汽车能量消耗的28%。文献[13]研究动力电池的充放电效率为90%，则动力电池使用阶段能耗计算公式如下[14]： 本研究旨在评估汽车动力电池在全生命周期中的碳排放情况。考虑到研究对象相对微观，主要关注动力电池在原材料制备、运输装配、使用维护、报废回收等环节的碳排放。PLCA方法能够全面、综合地评估碳排放，符合本研究的要求，被选为评价工具。 式中：ECbattery代表锂电池使用阶段电能损耗，Mbattery代表电池质量，Mcar代表汽车质量，ECcar代表汽车使用阶段汽车总耗电量，η代表充放电效率。 具 有 简 单 易用 的 操 作 流 程，用 户 可 以 在 任 何 时 间、任 何 地 点 进 行 操 作。而 且 由 于 该 系 统 基 于web平台，用 户 可 轻 松 利 用 浏 览 器 进 行 操 作，无 需 本 地 运行。因此，研发该系统具备操作可行性。 1.2.4报废回收阶段 动力电池报废回收阶段采用湿法回收技术，其排放和消耗主要来自2方面：（1）在机械破碎过程中的电力消耗；（2）追溯至所用溶剂的生产阶段，生产所用溶剂产生的一部分间接排放和能源消耗[15]。报废回收阶段碳排放的公式如下[8]： 2.1.2功能性需求分析 汽车动力电池碳足迹评价系统的目的是让使用者快速计算动力电池在全生命周期各阶段的碳排放，故