roadhawk蓄电池设计至关重要：电动汽车电池组可拆卸设计对环境与循环性影响
两轮车电气化进程的加速对电池组设计提出了符合循环经济（CE）原则的新要求。尽管业界日益重视循环经济因素的整合，当前电池组设计仍主要受性能驱动，普遍忽视了解体性与可维护性等关键维度。本研究通过三种不同电池组构型的可持续性与解体性能早期评估，填补了这一研究空白。分析对比了三种设计方案：不具备解体潜力的密封电池（SB），以及两种可解体设计——可更换盖板电池（ELB）和液体填充电池（LFB）。研究采用融合生命周期评估（LCA）、循环性评估与解体便捷性度量（eDiM）的综合框架，系统考察了这些设计方案的环境影响与解体可行性。研究结果表明，尽管ELB和LFB在生产和使用阶段表现出更高的环境影响，但它们在碰撞场景中通过实现可修复与可重复利用性，展现出显著的可持续性优势。循环性评估中也观察到类似趋势，与SB相比，ELB和LFB均获得更高的循环性评分。此外，拆解分析揭示了两种可拆解设计方案间的权衡：ELB因大量螺钉与胶接接头导致拆解时间较长，而LFB虽降低了紧固件复杂度，却需要额外时间进行流体排放。本研究首次在早期产品设计阶段实现了环境评估与拆解分析的定量整合，为电动两轮车电池系统在可持续性、循环性与实际可维修性之间的权衡评估提供了方法论基础。
引言
尽管车辆电气化进程不断发展，两轮车领域仍存在未开发的潜力（UNEP，2024）。这一现象在轻便摩托车、踏板车、电动自行车和摩托车作为主要交通工具的人口密集地区尤为显著。此类交通工具约占全球出行总量的30%（Rahul等，2023），并因其经济性、机动性及应对交通拥堵的适用性而在城市环境中广受青睐（Das和Maurya，2018；Yousif等，2020）。两轮车电气化对减轻环境影响具有重大意义，消除尾气排放有助于减少温室气体排放并改善城市空气质量（UNEP，2024；Weiss等，2015）。
为进一步降低电动两轮车的环境负担，将环保设计原则融入车辆设计至关重要。这对电池组尤为关键——作为生产阶段环境影响最显著的部件之一（Schneider等，2023）。传统电池组设计主要聚焦于能量密度、功率输出及热管理等性能指标的最大化（Adebowale，2025a）。这种做法违背了长期运行可及性与安全性等其他设计目标（Deng等，2020），导致电池包设计普遍采用不可逆连接技术（包括粘合剂、焊接部件和单向紧固件），未考虑拆解需求（Villagrossi和Dinon，2023）。然而随着电动汽车的普及，设计趋势正逐渐转向融入便于维护、有效诊断和模块化构造等特性（Sankaran和Venkatesan，2021）。该设计范式将重点从短期性能指标转向全生命周期可操作性、安全性和成本效益（Boti等，2025）。
根据ISO 14021（2016）的定义，可拆卸设计（DfD）通过促进零部件的再利用、维修与回收策略，对实现电动汽车（EV）电池系统的循环性至关重要。DfD的核心原则是采用模块化架构，这种设计允许在最小化影响整体组装的情况下独立移除单个组件或子系统（Bakker等，2010；Talens Peiró等，2017）。通过模块化设计，可逆连接技术的运用能够促进非破坏性分离，从而支持跨多个产品生命周期的重新组装、维护与再利用（Güngör，2006；Jeandin与Mascle，2016）。
据预测，到2040年将有400万吨锂离子电池进入报废阶段（Richa等人，2014年），目前关于电池组可拆卸设计（DfD）与循环性的研究主要集中在寿命终止处理问题上。这些研究指出，破坏性组装方式会阻碍电池在固定式储能等二次利用场景中的应用潜力（Haram等人，2021年；Sengor和Hayes，2024年），同时会对回收过程中材料再生的质量和效率产生负面影响（Beghi等人，2023年；Glöser-Chahoud等人，2021年；Harper等人，2019年；Hathaway等人，2023年）。目前针对电池组可维护性或可修复性设计的研究仍较为有限，仅发现一项研究对比了不同构型模块化电池的维护流程、操作程序及更换策略（Adebowale，2025b）。
仅将循环经济理念和面向拆卸设计原则聚焦于报废阶段对电动两轮车而言远远不足。《欧盟电池法规》（European Commission, 2023）明确要求轻型电动车辆电池组及其电芯必须便于拆卸更换，以确保能替换为兼容电池或关键组件。这反映出监管层面正强力推动提升轻型电动车辆电池组的可维修性。这一问题尤为关键，因为两轮车辆更易发生事故，其碰撞事故率估计比其他交通方式高出6至13倍（Yousif等人，2020年）。%% 为确保电动化兼具可行性与吸引力，必须保障碰撞事件后电池组的可修复性。作为电动两轮车中最关键且最昂贵的部件，碰撞后整体更换电池组既不经济也不环保（Kotak等人，2021年；Lakshmanan等人，2024年）。%% 因此，电池组设计应融入可维护性特征，当电芯状态仍适合继续使用时实现其重复利用（Kampker等人，2021年）。
尽管面向拆解的设计（DfD）为循环经济（CE）带来明显优势，其实施往往受限于与拆解相关的额外资本和劳动力成本（Peeters等，2016）。一项对比六种不同电动汽车电池包的全面技术经济评估显示，每个电池包的拆解成本介于50至195美元之间，具体取决于自动化程度以及电池包中螺丝与焊接部件的数量（Lander等，2023）。因此，缩短拆解时间至关重要，因其能直接降低相关流程的人力投入与成本（Vanegas等，2018）。拆解时间同时也是评估不同设计方案可拆解性的关键指标（Go等，2011）。鉴于其重要性，近期研究已探索针对报废产品的先进再制造与拆解工艺规划方法，包括工业5.0框架下的人机协作系统。0的制造环境旨在提升拆解作业效率（Parsa和Saadat，2021；Huang等，2024；Liu等，2026）。拆解时间的相关性在环境产品标签体系（如欧盟生态标签（European Commission，2011）和IEEE标准（IEEE，2012））中进一步得到认可，这些体系将其用于评估拆解性能并推动延长产品寿命的生态设计策略。这进一步表明可拆解设计（DfD）作为立法性及自愿性环境工具的重要性正日益凸显（Vanegas等，2018）。
DfD策略主要关注资源消耗的减少，但未能考虑不同设计决策和循环性策略的潜在环境影响（Rigamonti和Mancini，2021）。此外，提高循环性并不自动保证环境绩效的改善，因为可能出现问题转移或反弹效应等非预期后果（Helander等，2019；Saidani等，2019）。因此，生命周期评估（LCA）作为一种量化工具，能够有效揭示不同设计决策的潜在环境影响（Ellen MacArthur Foundation，2022）。LCA提供的分析框架可评估并确定循环经济解决方案预期环境效益的可行性及其实现程度（Rigamonti和Mancini，2021）。然而，仅凭生命周期评估（LCA）无法全面衡量系统的循环程度（Rigamonti和Mancini，2021），这归因于回收循环建模缺乏一致性，以及针对材料品质变化下多重材料用途的核算缺乏明确指南（Haupt和Zschokke，2017；Peña等，2021）。在此背景下，循环性指标可作为新产品设计的重要工具。但现有的大量指标及其在某些场景下应用目标的模糊性，使得特定情境中最适用指标的选择与有效比较变得复杂化（Rigamonti和Mancini，2021；Saidani等，2019）。因此，必须将生命周期评估与循环性指标相结合，以确保系统循环性的提升能够转化为可验证的环境效益改进（Rigamonti和Mancini，2021）。
除电池特定应用外，学界已提出若干通用框架以整合生命周期思维与循环经济原则及产品设计考量。例如，循环生命周期可持续性评估（C-LCSA）框架通过将循环性指标纳入环境、经济和社会维度，拓展了传统生命周期可持续性评估的范畴（Luthin等，2024）。其他方法如环境与循环性指标-多准则决策分析（ECI-MCDA），在决策支持框架内将生命周期评价结果与循环性度量相结合，以评估环境绩效与循环绩效之间的权衡（Barrak等，2024）。此外，面向循环拆解的设计（DfCD）框架强调产品架构与拆解效率作为维修、再利用和再制造等循环策略的关键使能因素（Formentini和Ramanujan，2023）。
尽管生命周期评估（LCA）与循环性评估的整合在可持续性评价方面具有明显优势，但将两种方法同时应用于电动汽车电池的研究仍较为有限（Picatoste等，2024）。在大多数研究中，循环性策略通过考察不同循环情景（如回收或再利用）下环境影响的变化，被隐性地纳入LCA模型（Casals等，2017；Schulz-Mönninghoff等，2021；Tao和You，2020）。与之相反，Picatoste等（2024）明确将LCA与定量循环性指标（包括循环性指标CI和产品循环性指标PCI）相结合，以评估电池化学体系和回收技术对环境绩效的影响。类似地，Krassnitzer等（2025）整合了LCA与三项循环性指标，比较了木质混合电池包与传统设计在不同寿命终止情景下的表现。然而，这两项研究主要关注电池寿命终结管理，对于如何通过整合两种方法评估电动汽车电池修复与再利用等其他循环策略，仍缺乏深入探讨。
此外，拆解时间是评估循环策略实施可行性的关键考量因素，尤其是在设计阶段，因其可能影响产品的潜在环境绩效。迄今为止，仅有一项研究被确认将两种方法结合应用于产品的详细设计阶段。Karkasinas等人的研究（2025）专门分析了照明产品和石油与燃料费行业用蓄电池的再制造潜力，重点关注不同再制造方案的环境影响与经济绩效（其中考虑了拆解时间）。目前针对电动汽车电池系统开展此类综合评估的研究仍存在显著空白。此外，尚无研究在早期设计阶段将环境绩效（环境影响与循环性评估）与拆解时间分析相结合进行比较分析。
因此，本研究旨在回答以下研究问题：在早期设计阶段，具有不同可拆卸性的各类电池包的环境性能与拆卸性能如何比较？
为探究这一问题，本研究分析了三种电池包设计方案：一种不具备拆解特征的基准包，以及两种支持模块化拆解以实现重复利用的改进方案。通过生命周期评价（LCA）和循环性评估对所有配置进行环境绩效分析，并采用拆解便捷性指标（eDiM）对两种优化设计的总体拆解耗时进行量化评估。
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