鉅大LARGE | 點擊量:7635次 | 2018年07月13日
動力電池梯次利用介紹
隨著新能源汽車推廣應(yīng)用的力度不斷加大,動力電池梯次利用的概念應(yīng)運而生并受到廣泛關(guān)注,可以說梯次利用擁有巨大市場潛力,市場前景廣闊,機遇與挑戰(zhàn)共存。
動力電池回收再利用是動力電池產(chǎn)業(yè)鏈形成閉環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在環(huán)境保護、資源回收和提高動力電池全壽命周期價值等方面都具有重要價值。其中動力電池回收再利用又包括了梯次利用和資源回收兩個環(huán)節(jié)。通常當(dāng)新能源汽車動力電池剩余容量降低到初始容量的70%-80%時便無法滿足車載使用要求。退役動力電池經(jīng)過測試、篩選、重組等環(huán)節(jié),仍然有能力用于低速電動車、備用電源、電力儲能等運行工況相對良好、對電池性能要求較低的領(lǐng)域。隨著新能源汽車推廣應(yīng)用的力度不斷加大,動力電池梯次利用的概念應(yīng)運而生并受到廣泛關(guān)注。
我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)從2013年開始進入大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。結(jié)合2013-2016年我國新能源汽車產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)和國家規(guī)劃的2020年新能源汽車產(chǎn)銷200萬輛的發(fā)展目標(biāo),考慮到新能源汽車企業(yè)目前對動力電池的質(zhì)保服務(wù)大多在5-8年,到2019年我國新能源汽車動力電池將會進入大規(guī)模退役階段。根據(jù)預(yù)測,2025年,我國年度新增的梯次利用潛在規(guī)模將會達到33.6GWh,可以說梯次利用擁有巨大的潛在規(guī)模和市場空間。
擁有巨大潛在市場需求的儲能領(lǐng)域也成為梯次利用未來最重要的應(yīng)用場景之一。僅就儲能領(lǐng)域而言,目前在大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)、輔助服務(wù)、電力輸配、用戶側(cè)等儲能應(yīng)用領(lǐng)域都已經(jīng)有梯次利用示范項目正在運行,涉及千瓦級的戶用儲能產(chǎn)品,十千瓦至百千瓦級的光儲微網(wǎng)、電動汽車充電站儲能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心備用電源,以及兆瓦級大型儲能電站。
與梯次利用巨大市場潛力和各界密切關(guān)注形成鮮明對比的是,現(xiàn)階段各方對于梯次利用市場前景仍然存在諸多爭議。動力電池梯次利用在電池性能、集成管控能力、商業(yè)模式、經(jīng)濟性、安全性、市場認(rèn)可度等方面仍然面臨著很多困難,并且尚無法找到一致有效的答案。未來還需要依托技術(shù)研發(fā)、項目探索和多方協(xié)作共同推動梯次利用市場的發(fā)展。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
結(jié)合業(yè)界對于梯次利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的密切關(guān)注和爭議熱點,2017年9月6日,由中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)和中科院物理所聯(lián)合主辦了“動力電池梯次利用及回收”公益主題沙龍,就梯次利用的市場前景、技術(shù)難題、經(jīng)濟性、商業(yè)模式、項目案例等進行交流探討。
本文CNESA研究部將圍繞本次沙龍期間重點探討的問題,對各方觀點進行梳理,希望為推動梯次利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展和相關(guān)企業(yè)布局梯次利用業(yè)務(wù)提供參考。
1電池一致性成為困擾梯次利用項目運行的主要技術(shù)問題,需要以動力電池全壽命周期研究為支撐
從2014年起,我國開始布局開展動力電池梯次利用示范研究項目。2015年,中國電科院啟動了兆瓦時級梯次利用電池儲能技術(shù)的研究,研發(fā)了1.2MWh梯次利用儲能試驗系統(tǒng),并于2016年在國家風(fēng)光儲示范電站投入試運行,這是我國第一個兆瓦時級梯次利用電池儲能系統(tǒng)。根據(jù)梯次利用儲能示范項目的實際運行數(shù)據(jù),電池一致性問題成為項目運行中面臨的最大挑戰(zhàn)。對此中國電科院專家來小康也表示,即使使用經(jīng)過千挑萬選的退役電池構(gòu)建梯次利用儲能系統(tǒng),仍然無法避免在儲能系統(tǒng)運行過程中電池的一致性再次發(fā)生離散。
電池一致性已經(jīng)成為困擾梯次利用項目順利運行的關(guān)鍵。動力電池的一致性是相對的,不一致性是絕對的。電池出廠時,它的一致性是由生產(chǎn)線保證的,這是它先天的特質(zhì)。在使用過程中出現(xiàn)的不一致現(xiàn)象則是由車主駕駛習(xí)慣、充電方法、溫度場均勻性、自放電差異等多重因素共同造成,這是車企和電池企業(yè)無法控制的。由此也造成了電動汽車在退役時電池容量分布極不均勻,呈現(xiàn)出從初始容量的80%到50%的巨大跨度。電池的不一致性將大幅度增加后期的運行維護成本。同時,為了彌補電池不一致性帶來的缺陷,必然增加設(shè)計冗余量,這又增加了項目初投資。
動力電池在容量、內(nèi)阻、電壓等方面表現(xiàn)出來的不一致問題,與電池自身的充放電反應(yīng)機理密切相關(guān)。若要真正破解一致性問題,還需要在動力電池性能衰減機理和電池健康狀態(tài)評價等方面開展大量研究工作。參與本次CNESA公益主題沙龍的動力電池和BMS企業(yè)也都在積極布局和開展相關(guān)工作,具體包括研究動力電池在不同衰減壽命區(qū)間的電性能衰減趨勢,構(gòu)建合理的電池健康狀態(tài)評價指標(biāo),研究退役動力電池的性能狀態(tài)分布,構(gòu)建模塊化能量管理系統(tǒng)對不同性能的電池進行分級管理,建立電池全壽命周期的監(jiān)測和管理數(shù)據(jù)庫等等。作為國內(nèi)最大的電動汽車服務(wù)生態(tài)圈建設(shè)運營企業(yè),國網(wǎng)電動汽車有限公司總經(jīng)理江冰表示,公司在運用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)構(gòu)建智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺的同時,將會對動力電池實時運行數(shù)據(jù)實施全方位監(jiān)控,為開展梯次利用提供有效的歷史數(shù)據(jù)支撐。相信隨著新電池性能不斷提升、對電池衰減機理認(rèn)識的不斷深刻和電池車載歷史運行數(shù)據(jù)的有效掌握,待其進入梯次利用環(huán)節(jié)后,一致性問題也將不斷得到改善。
2以PACK方式開展動力電池梯次利用獲得業(yè)界普遍認(rèn)可
新能源汽車車載電池包(PACK)首先由鋰離子電池(電芯)經(jīng)過多級串并聯(lián)構(gòu)成蓄電池模組,再在電池管理系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)度下,配合熱管理設(shè)備、高低壓電路、機械總成等附件系統(tǒng),共同構(gòu)成車載能量存儲裝置,為車輛行駛提供動力。不同車型的設(shè)計差異較大,因此不同新能源汽車的電池包系統(tǒng)在外部形狀、內(nèi)部構(gòu)成、系統(tǒng)配置等方面存在較大差異。
考慮到電芯、模組、電池包等動力電池系統(tǒng)多級結(jié)構(gòu),在開展梯次利用時,通常會面臨以何種級別的電池進行重組的問題,這也直接影響到梯次利用的技術(shù)難度和相關(guān)成本。對此,本次CNESA公益主題沙龍的參會代表也表達了各自不同的觀點。
觀點一:應(yīng)當(dāng)基于不同車型采取不同的梯次利用重組策略。乘用車電池包系統(tǒng)設(shè)計對空間利用率要求高,不同車型電池包形狀差異較大,電池包級別的直接梯次利用難度稍大,而實現(xiàn)電池模塊或單體級別的梯次利用則比較容易。大巴車電池箱標(biāo)準(zhǔn)化程度高,在保證一致性的前提下,可實現(xiàn)多箱電池包級別的梯次利用,有利于低成本梯次利用。
觀點二:電池包拆解工作量大,會引入新的安全風(fēng)險,應(yīng)當(dāng)整包形式進行梯次利用。北汽新能源、比亞迪等新能源汽車企業(yè),杭州高特、東莞鉅威等BMS和PACK企業(yè),陽光普創(chuàng)、友信科技等儲能系統(tǒng)集成商都對直接使用退役動力電池包進行梯次利用表達了支持態(tài)度。對此,各方的觀點主要集中在以下幾個方面:首先,電池包拆解工作量大、成本高,與之相比,換掉其中的短板電池后繼續(xù)以電池包方式進行梯次利用是更為經(jīng)濟的方案;其次,不同電池包的使用環(huán)境和控制策略差異極大,拆解后重新配租的難度非常大;再次,電池從車上退下來不拆,在車上它的安全性是得到驗證的,拆解以后對電池的安全性也帶來了新的問題;最后,拆解過程會導(dǎo)致大量物理廢棄,而重組又會引發(fā)新的物料成本。東莞鉅威基于實際測試項目的運行經(jīng)驗表示,隨機選取12套電池包,整個電池不開包,經(jīng)過簡單循環(huán)、均衡和篩選之后,整個電池組內(nèi)電池參數(shù)的差異會變得相對較小,經(jīng)過100多個循環(huán)后,系統(tǒng)總?cè)萘窟€基本維持在這個水平。
關(guān)于整包形式梯次利用,有企業(yè)提出了自己的構(gòu)想:如果能夠開發(fā)一套比較通用的儲能系統(tǒng)架構(gòu),未來只需要把不同狀態(tài)的電池系統(tǒng)關(guān)聯(lián)進去并建立相應(yīng)的通信系統(tǒng)。在內(nèi)部本身有一套完整系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,即使電池包多次更換,仍然可以確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。
3各方積極布局梯次利用項目,運行控制策略和系統(tǒng)集成方式成為優(yōu)化運行效果的關(guān)鍵
本次沙龍匯集了來自梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的20余家企業(yè)和研究機構(gòu),其中有近半數(shù)單位已經(jīng)開展了梯次利用示范項目,主要應(yīng)用于用戶側(cè)儲能、通訊基站備用電源等領(lǐng)域。結(jié)合項目經(jīng)驗,參會企業(yè)普遍提出,為確保梯次利用系統(tǒng)有效運行,并且盡可能弱化電池一致性和壽命問題,需要對梯次利用的運行控制策略和系統(tǒng)集成方式進行恰當(dāng)設(shè)計。
在運行控制策略方面,梯次利用儲能系統(tǒng)的充放電倍率應(yīng)當(dāng)控制在0.2C以內(nèi),充放電深度應(yīng)當(dāng)控制在70%范圍內(nèi)。為此,應(yīng)用場景也將被嚴(yán)格限制,對于用戶側(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)的削峰填谷,充放電時間應(yīng)當(dāng)確保達到6-8小時。
在系統(tǒng)集成方式方面,小功率、多分支結(jié)構(gòu)成為梯次利用系統(tǒng)的優(yōu)選集成方案。上海煦達提出以一輛車上的電池作為一個電池簇并為之配備一個20kWPCS。為避免并聯(lián)電池之間充放電影響系統(tǒng)效率,電池簇之間采用彼此串聯(lián)的策略構(gòu)建儲能系統(tǒng),一個集裝箱儲能系統(tǒng)使用9輛車的動力電池系統(tǒng)。友信科技則提出,將車載電池系統(tǒng)做成低壓模組,避免大規(guī)模串并聯(lián);電池模塊在交流側(cè)實現(xiàn)串聯(lián),由此確保不同電池類型、不同批次、不同性能狀態(tài)的電池系統(tǒng)可以在同一個系統(tǒng)中協(xié)同運行,每個模組充入電量和放出電量完全受控。此種電路結(jié)構(gòu),可以在不改變電流總體方向的情況下,控制每個電池模塊的電流方向、選擇流入流出電池,也可以選擇電流不經(jīng)過電池,以此確保電池衰減不再是瞬間崩塌,而是一個逐漸衰減的過程。
4足夠低的動力電池回購成本成為確保梯次利用經(jīng)濟性的關(guān)鍵
梯次利用電池系統(tǒng)與新電池系統(tǒng)成本之差是梯次利用能否實現(xiàn)經(jīng)濟性的關(guān)鍵。新電池性能快速提升和成本快速下降無疑成為影響梯次利用市場發(fā)展的最大競爭因素。在新生產(chǎn)的動力電池系統(tǒng)已經(jīng)降低到1.3-1.5元/Wh的情況下,以何種價格回購?fù)艘蹌恿﹄姵鼐统蔀橛绊懱荽卫媒?jīng)濟性的關(guān)鍵因素。
在本次沙龍期間,東莞鉅威、上海煦達等已開展梯次利用商業(yè)示范項目的企業(yè)也給出了明確的答案,即若要確保梯次利用實現(xiàn)經(jīng)濟效益,電池的回購價格應(yīng)當(dāng)?shù)陀谛码姵爻杀镜?0%。對此,企業(yè)的觀點主要集中在以下幾個方面:首先,退役動力電池的容量是要打折的,使用時的充放電倍率也要受到限制,再將重組過程中發(fā)生的測試篩選和輔助材料成本包括在內(nèi),如若電池回購成本不能足夠低,梯次利用的經(jīng)濟性將無法得到保證。其次,回收的動力電池的價格不可能過高,因為動力電池在投放市場時已拿到了高額補貼,再加上車子運行數(shù)年,電池的成本已經(jīng)在退役前得到回收,因此退役動力電池沒有理由定價過高。上海煦達更是根據(jù)實踐經(jīng)驗表示,在回收電池價格為新電池1/3的情況下,能夠?qū)⑻荽卫玫膬δ茈娬镜目偝杀窘档偷?.29元/Wh,整個項目是具備經(jīng)濟性的。
5動力電池資產(chǎn)所有權(quán)形式成為影響梯次利用商業(yè)模式和回收責(zé)任的關(guān)鍵
2016年起,我國開始針對電動汽車蓄電池回收利用發(fā)布專項政策和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。《電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策(2015年版)》明確提出,新能源汽車實施生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度,電動汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)承擔(dān)電動汽車廢舊動力蓄電池回收利用的主要責(zé)任,動力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)承擔(dān)電動汽車生產(chǎn)企業(yè)售后服務(wù)體系之外的廢舊動力蓄電池回收利用的主要責(zé)任,梯級利用電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)承擔(dān)梯級利用電池回收利用的主要責(zé)任,報廢汽車回收拆解企業(yè)應(yīng)負(fù)責(zé)回收報廢汽車上的動力蓄電池。
新能源汽車生產(chǎn)運營企業(yè)、動力電池制造企業(yè)、BMS和PACK企業(yè)、儲能系統(tǒng)集成商、電池回收企業(yè)由于在梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈中所處位置和動力電池資產(chǎn)所有權(quán)形式的不同,在開展梯次利用業(yè)務(wù)過程中選取的商業(yè)模式、面臨的問題和承擔(dān)的回收責(zé)任也有所差異。一方面新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)在開展動力電池回收再利用時希望掌握電池原始工藝的PACK企業(yè)更多參與其中;另一方面專業(yè)化梯次利用系統(tǒng)集成商還會面臨來自電池回購規(guī)模和成本的壓力和難以獲取準(zhǔn)確電池歷史運行數(shù)據(jù)的困擾。
由于商業(yè)模式不同,擁有動力電池資產(chǎn)所有權(quán)的新能源汽車生產(chǎn)運營企業(yè)或動力電池生產(chǎn)企業(yè)對于梯次利用有著更加長遠的規(guī)劃和更為樂觀的態(tài)度。以蔚來汽車為代表,采用電池?fù)Q電模式,車載動力電池系統(tǒng)運行二至三年后退役。電池系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)存儲在云端,通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對電池系統(tǒng)的性能和健康狀態(tài)進行在線監(jiān)測,據(jù)此分析并篩選退役動力電池包,通過多車并聯(lián)和靈活控制系統(tǒng)構(gòu)建比較大規(guī)模的儲能系統(tǒng),并選擇合適的場景開展示范應(yīng)用。
6小結(jié)
與前幾年的觀望態(tài)度相比,面對即將出現(xiàn)并且規(guī)模可觀的退役動力電池,正在有越來越多的產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方開始積極布局梯次利用技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。
回顧本期CNESA公益主題沙龍期間參會嘉賓的觀點,除了上面總結(jié)的五個主要關(guān)注點,現(xiàn)階段梯次利用在如何選擇應(yīng)用場景,如何讓客戶認(rèn)同梯次利用產(chǎn)品的價值并確保售后服務(wù),如何根據(jù)應(yīng)用場景確立梯次利用建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)方案,如何構(gòu)建健全渠道確保退役動力電池系統(tǒng)得到有效回收,如何對退役動力電池進行安全運輸儲存等方面仍然有大量工作要做。盡管現(xiàn)階段有很多問題仍然存在爭議并且無法找到明確的答案,但是相信隨著國家政策支持和標(biāo)準(zhǔn)體系不斷完善,隨著各方協(xié)同參與的力度日漸增強,梯次利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中面臨的問題將逐步化解,退役動力電池全壽命周期價值也將得到充分展現(xiàn)。
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