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动力电池梯次利用:市场前景广阔,机遇与挑战共存
2017-09-27

随着新能源汽车推广应用的力度不断加大,动力电池梯次利用的概念应运而生并受到广泛关注,可以说梯次利用拥有巨大市场潜力,市场前景广阔,机遇与挑战共存。


动力电池回收再利用是动力电池产业链形成闭环的关键环节,在环境保护、资源回收和提高动力电池全寿命周期价值等方面都具有重要价值。其中动力电池回收再利用又包括了梯次利用和资源回收两个环节。通常当新能源汽车动力电池剩余容量降低到初始容量的70%-80%时便无法满足车载使用要求。退役动力电池经过测试、筛选、重组等环节,仍然有能力用于低速电动车、备用电源、电力储能等运行工况相对良好、对电池性能要求较低的领域。随着新能源汽车推广应用的力度不断加大,动力电池梯次利用的概念应运而生并受到广泛关注。


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我国新能源汽车产业从2013年开始进入大规模推广应用阶段。结合2013-2016年我国新能源汽车产量统计数据和国家规划的2020年新能源汽车产销200万辆的发展目标,考虑到新能源汽车企业目前对动力电池的质保服务大多在5-8年,到2019年我国新能源汽车动力电池将会进入大规模退役阶段。根据CNESA研究部的预测,2025年,我国年度新增的梯次利用潜在规模将会达到33.6 GWh,可以说梯次利用拥有巨大的潜在规模和市场空间。


拥有巨大潜在市场需求的储能领域也成为梯次利用未来最重要的应用场景之一。根据CNESA全球储能项目数据库对于全球储能项目的持续收集,仅就储能领域而言,目前在大规模可再生能源并网、辅助服务、电力输配、用户侧等储能应用领域都已经有梯次利用示范项目正在运行,涉及千瓦级的户用储能产品,十千瓦至百千瓦级的光储微网、电动汽车充电站储能系统、数据中心备用电源,以及兆瓦级大型储能电站。


与梯次利用巨大市场潜力和各界密切关注形成鲜明对比的是,现阶段各方对于梯次利用市场前景仍然存在诸多争议。动力电池梯次利用在电池性能、集成管控能力、商业模式、经济性、安全性、市场认可度等方面仍然面临着很多困难,并且尚无法找到一致有效的答案。未来还需要依托技术研发、项目探索和多方协作共同推动梯次利用市场的发展。


结合业界对于梯次利用产业发展的密切关注和争议热点,2017年9月6日,由中关村储能产业技术联盟(CNESA)和中科院物理所联合主办了“动力电池梯次利用及回收”公益主题沙龙。本期沙龙汇集了与动力电池回收再利用息息相关的产业链各环节参与方,包括了国网电动汽车公司、北汽新能源、蔚来汽车等新能源汽车生产和运营企业,比亚迪、国轩高科、中航锂电、猛狮科技等动力电池制造企业,东莞钜威、杭州高特、海博思创等BMS和PACK企业,上海煦达、阳光普创、友信科技、南京涛博等梯次利用储能系统集成商,以及来自中国电科院、北京低碳研究所等电力系统科研机构,北方车辆研究所等电池检测机构,中科院过程所、北京理工大学等电池回收技术研究机构的专家,共同就梯次利用的市场前景、技术难题、经济性、商业模式、项目案例等进行交流探讨。


本文CNESA研究部将围绕本次沙龙期间重点探讨的问题,对各方观点进行梳理,希望为推动梯次利用产业发展和相关企业布局梯次利用业务提供参考。

1、电池一致性成为困扰梯次利用项目运行的主要技术问题,需要以动力电池全寿命周期研究为支撑

从2014年起,我国开始布局开展动力电池梯次利用示范研究项目。2015 年,中国电科院启动了兆瓦时级梯次利用电池储能技术的研究,研发了 1.2 MWh梯次利用储能试验系统,并于 2016 年在国家风光储示范电站投入试运行,这是我国第一个兆瓦时级梯次利用电池储能系统。根据梯次利用储能示范项目的实际运行数据,电池一致性问题成为项目运行中面临的最大挑战。对此中国电科院专家来小康也表示,即使使用经过千挑万选的退役电池构建梯次利用储能系统,仍然无法避免在储能系统运行过程中电池的一致性再次发生离散。


电池一致性已经成为困扰梯次利用项目顺利运行的关键。动力电池的一致性是相对的,不一致性是绝对的。电池出厂时,它的一致性是由生产线保证的,这是它先天的特质。在使用过程中出现的不一致现象则是由车主驾驶习惯、充电方法、温度场均匀性、自放电差异等多重因素共同造成,这是车企和电池企业无法控制的。由此也造成了电动汽车在退役时电池容量分布极不均匀,呈现出从初始容量的80%到50%的巨大跨度。电池的不一致性将大幅度增加后期的运行维护成本。同时,为了弥补电池不一致性带来的缺陷,必然增加设计冗余量,这又增加了项目初投资。


动力电池在容量、内阻、电压等方面表现出来的不一致问题,与电池自身的充放电反应机理密切相关。若要真正破解一致性问题,还需要在动力电池性能衰减机理和电池健康状态评价等方面开展大量研究工作。参与本次CNESA公益主题沙龙的动力电池和BMS企业也都在积极布局和开展相关工作,具体包括研究动力电池在不同衰减寿命区间的电性能衰减趋势,构建合理的电池健康状态评价指标,研究退役动力电池的性能状态分布,构建模块化能量管理系统对不同性能的电池进行分级管理,建立电池全寿命周期的监测和管理数据库等等。作为国内最大的电动汽车服务生态圈建设运营企业,国网电动汽车有限公司总经理江冰表示,公司在运用现代网络和信息技术构建智慧车联网平台的同时,将会对动力电池实时运行数据实施全方位监控,为开展梯次利用提供有效的历史数据支撑。相信随着新电池性能不断提升、对电池衰减机理认识的不断深刻和电池车载历史运行数据的有效掌握,待其进入梯次利用环节后,一致性问题也将不断得到改善。


2、以PACK方式开展动力电池梯次利用获得业界普遍认可

新能源汽车车载电池包(PACK)首先由锂离子电池(电芯)经过多级串并联构成蓄电池模组,再在电池管理系统的统一监控调度下,配合热管理设备、高低压电路、机械总成等附件系统,共同构成车载能量存储装置,为车辆行驶提供动力。不同车型的设计差异较大,因此不同新能源汽车的电池包系统在外部形状、内部构成、系统配置等方面存在较大差异。


考虑到电芯、模组、电池包等动力电池系统多级结构,在开展梯次利用时,通常会面临以何种级别的电池进行重组的问题,这也直接影响到梯次利用的技术难度和相关成本。对此,本次CNESA公益主题沙龙的参会代表也表达了各自不同的观点。


观点一:应当基于不同车型采取不同的梯次利用重组策略。乘用车电池包系统设计对空间利用率要求高,不同车型电池包形状差异较大,电池包级别的直接梯次利用难度稍大,而实现电池模块或单体级别的梯次利用则比较容易。大巴车电池箱标准化程度高,在保证一致性的前提下,可实现多箱电池包级别的梯次利用,有利于低成本梯次利用。


观点二:电池包拆解工作量大,会引入新的安全风险,应当整包形式进行梯次利用。在本次CNESA公益主题沙龙中,北汽新能源、比亚迪等新能源汽车企业,杭州高特、东莞钜威等BMS和PACK企业,阳光普创、友信科技等储能系统集成商都对直接使用退役动力电池包进行梯次利用表达了支持态度。对此,各方的观点主要集中在以下几个方面:首先,电池包拆解工作量大、成本高,与之相比,换掉其中的短板电池后继续以电池包方式进行梯次利用是更为经济的方案;其次,不同电池包的使用环境和控制策略差异极大,拆解后重新配租的难度非常大;再次,电池从车上退下来不拆,在车上它的安全性是得到验证的,拆解以后对电池的安全性也带来了新的问题;最后,拆解过程会导致大量物理废弃,而重组又会引发新的物料成本。东莞钜威基于实际测试项目的运行经验表示,随机选取12套电池包,整个电池不开包,经过简单循环、均衡和筛选之后,整个电池组内电池参数的差异会变得相对较小,经过100多个循环后,系统总容量还基本维持在这个水平。


关于整包形式梯次利用,有企业提出了自己的构想:如果能够开发一套比较通用的储能系统架构,未来只需要把不同状态的电池系统关联进去并建立相应的通信系统。在内部本身有一套完整系统的基础上,即使电池包多次更换,仍然可以确保系统长期稳定运行。

3、各方积极布局梯次利用项目,运行控制策略和系统集成方式成为优化运行效果的关键

本次CNESA公益主题沙龙汇集了来自梯次利用产业链各环节的20余家企业和研究机构,其中有近半数单位已经开展了梯次利用示范项目,主要应用于用户侧储能、通讯基站备用电源等领域。结合项目经验,参会企业普遍提出,为确保梯次利用系统有效运行,并且尽可能弱化电池一致性和寿命问题,需要对梯次利用的运行控制策略和系统集成方式进行恰当设计。


在运行控制策略方面,梯次利用储能系统的充放电倍率应当控制在0.2C以内,充放电深度应当控制在70%范围内。为此,应用场景也将被严格限制,对于用户侧并网系统的削峰填谷,充放电时间应当确保达到6-8小时。


在系统集成方式方面,小功率、多分支结构成为梯次利用系统的优选集成方案。上海煦达提出以一辆车上的电池作为一个电池簇并为之配备一个20kW PCS。为避免并联电池之间充放电影响系统效率,电池簇之间采用彼此串联的策略构建储能系统,一个集装箱储能系统使用9辆车的动力电池系统。友信科技则提出,将车载电池系统做成低压模组,避免大规模串并联;电池模块在交流侧实现串联,由此确保不同电池类型、不同批次、不同性能状态的电池系统可以在同一个系统中协同运行,每个模组充入电量和放出电量完全受控。此种电路结构,可以在不改变电流总体方向的情况下,控制每个电池模块的电流方向、选择流入流出电池,也可以选择电流不经过电池,以此确保电池衰减不再是瞬间崩塌,而是一个逐渐衰减的过程。

4、足够低的动力电池回购成本成为确保梯次利用经济性的关键

梯次利用电池系统与新电池系统成本之差是梯次利用能否实现经济性的关键。新电池性能快速提升和成本快速下降无疑成为影响梯次利用市场发展的最大竞争因素。在新生产的动力电池系统已经降低到1.3-1.5元/Wh的情况下,以何种价格回购退役动力电池就成为影响梯次利用经济性的关键因素。


在本次CNESA公益主题沙龙期间,东莞钜威、上海煦达等已开展梯次利用商业示范项目的企业也给出了明确的答案,即若要确保梯次利用实现经济效益,电池的回购价格应当低于新电池成本的30%。对此,企业的观点主要集中在以下几个方面:首先,退役动力电池的容量是要打折的,使用时的充放电倍率也要受到限制,再将重组过程中发生的测试筛选和辅助材料成本包括在内,如若电池回购成本不能足够低,梯次利用的经济性将无法得到保证。其次,回收的动力电池的价格不可能过高,因为动力电池在投放市场时已拿到了高额补贴,再加上车子运行数年,电池的成本已经在退役前得到回收,因此退役动力电池没有理由定价过高。上海煦达更是根据实践经验表示,在回收电池价格为新电池1/3的情况下,能够将梯次利用的储能电站的总成本降低到1.29元/Wh,整个项目是具备经济性的。

5、动力电池资产所有权形式成为影响梯次利用商业模式和回收责任的关键

2016年起,我国开始针对电动汽车蓄电池回收利用发布专项政策和相关技术标准。《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策(2015年版)》明确提出,新能源汽车实施生产者责任延伸制度,电动汽车生产企业应承担电动汽车废旧动力蓄电池回收利用的主要责任,动力蓄电池生产企业应承担电动汽车生产企业售后服务体系之外的废旧动力蓄电池回收利用的主要责任,梯级利用电池生产企业应承担梯级利用电池回收利用的主要责任,报废汽车回收拆解企业应负责回收报废汽车上的动力蓄电池。


新能源汽车生产运营企业、动力电池制造企业、BMS和PACK企业、储能系统集成商、电池回收企业由于在梯次利用产业链中所处位置和动力电池资产所有权形式的不同,在开展梯次利用业务过程中选取的商业模式、面临的问题和承担的回收责任也有所差异。一方面新能源汽车生产企业在开展动力电池回收再利用时希望掌握电池原始工艺的PACK企业更多参与其中;另一方面专业化梯次利用系统集成商还会面临来自电池回购规模和成本的压力和难以获取准确电池历史运行数据的困扰。


由于商业模式不同,拥有动力电池资产所有权的新能源汽车生产运营企业或动力电池生产企业对于梯次利用有着更加长远的规划和更为乐观的态度。以蔚来汽车为代表,采用电池换电模式,车载动力电池系统运行二至三年后退役。电池系统的运行数据存储在云端,通过大数据技术对电池系统的性能和健康状态进行在线监测,据此分析并筛选退役动力电池包,通过多车并联和灵活控制系统构建比较大规模的储能系统,并选择合适的场景开展示范应用。

6、小结

CNESA研究部从2015年起长期关注退役动力电池回收及其在储能领域的梯次利用。与前几年的观望态度相比,面对即将出现并且规模可观的退役动力电池,正在有越来越多的产业链相关方开始积极布局梯次利用技术研发和商业化应用。


回顾本期CNESA公益主题沙龙期间参会嘉宾的观点,除了上面总结的五个主要关注点,现阶段梯次利用在如何选择应用场景,如何让客户认同梯次利用产品的价值并确保售后服务,如何根据应用场景确立梯次利用建设标准和建设方案,如何构建健全渠道确保退役动力电池系统得到有效回收,如何对退役动力电池进行安全运输储存等方面仍然有大量工作要做。尽管现阶段有很多问题仍然存在争议并且无法找到明确的答案,但是相信随着国家政策支持和标准体系不断完善,随着各方协同参与的力度日渐增强,梯次利用产业发展过程中面临的问题将逐步化解,退役动力电池全寿命周期价值也将得到充分展现。CNESA研究部也将对梯次利用产业的发展进行持续关注。


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