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，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)CNESA研究部的預(yù)測，2025年，我國年度新增的梯次利用潛在規(guī)模將會達到33.6 GWh，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。根據(jù)CNESA全球儲能項目數(shù)據(jù)庫對于全球儲能項目的持續(xù)收集，僅就儲能領(lǐng)域而言，目前在大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(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。

 

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。本期沙龍匯集了與動力電池回收再利用息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)參與方，包括了國網(wǎng)電動汽車公司、北汽新能源、蔚來汽車等新能源汽車生產(chǎn)和運營企業(yè)，比亞迪、國軒高科、中航鋰電、猛獅科技等動力電池制造企業(yè)，東莞鉅威、杭州高特、海博思創(chuàng)等BMS和PACK企業(yè)，上海煦達、陽光普創(chuàng)、友信科技、南京濤博等梯次利用儲能系統(tǒng)集成商，以及來自中國電科院、北京低碳研究所等電力系統(tǒng)科研機構(gòu)，北方車輛研究所等電池檢測機構(gòu)，中科院過程所、北京理工大學(xué)等電池回收技術(shù)研究機構(gòu)的專家，共同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 1.2 MWh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，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。大巴車電池箱標準化程度高，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)當整包形式進行梯次利用。在本次CNESA公益主題沙龍中，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CNESA公益主題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)當控制在0.2C以內(nèi)，充放電深度應(yīng)當控制在70%范圍內(nèi)。為此，應(yīng)用場景也將被嚴格限制，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20kW PCS。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CNESA公益主題沙龍期間，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?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)標準?！峨妱悠噭恿π铍姵鼗厥绽眉夹g(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，采用電池換電模式，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)

 

CNESA研究部從2015年起長期關(guān)注退役動力電池回收及其在儲能領(lǐng)域的梯次利用。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。