動力電池回收再利用是動力電池產業(yè)鏈形成閉環(huán)的關鍵環(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域。隨著新能源汽車推廣應用的力度不斷加大，動力電池梯次利用的概念應運而生并受到廣泛關注。

 

我國新能源汽車產業(yè)從2013年開始進入大規(guī)模推廣應用階段。結合2013-2016年我國新能源汽車產量統(tǒng)計數(shù)據(jù)和國家規(guī)劃的2020年新能源汽車產銷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保服務大多在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域也成為梯次利用未來最重要的應用場景之一。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，僅就儲能領域而言，目前在大規(guī)?？稍偕茉床⒕W、輔助服務、電力輸配、用戶側等儲能應用領域都已經有梯次利用示范項目正在運行，涉及千瓦級的戶用儲能產品，十千瓦至百千瓦級的光儲微網、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。

 

結合業(yè)界對于梯次利用產業(yè)發(fā)展的密切關注和爭議熱點，2017年9月6日，由中關村儲能產業(yè)技術聯(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的產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)參與方，包括了國網電動汽車公司、北汽新能源、蔚來汽車等新能源汽車生產和運營企業(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，北方車輛研究所等電池檢測機構，中科院過程所、北京理工大學等電池回收技術研究機構的專家，共同就梯次利用的市場前景、技術難題、經濟性、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業(yè)發(fā)展和相關企業(yè)布局梯次利用業(yè)務提供參考。

 

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，即使使用經過千挑萬選的退役電池構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。

 

電池一致性已經成為困擾梯次利用項目順利運行的關鍵。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線保證的，這是它先天的特質。在使用過程中出現(xiàn)的不一致現(xiàn)象則是由車主駕駛習慣、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，必然增加設計冗余量，這又增加了項目初投資。

 

動力電池在容量、內阻、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機理密切相關。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。作為國內最大的電動汽車服務生態(tài)圈建設運營企業(yè)，國網電動汽車有限公司總經理江冰表示，公司在運用現(xiàn)代網絡和信息技術構建智慧車聯(lián)網平臺的同時，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）經過多級串并聯(lián)構成蓄電池模組，再在電池管理系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控調度下，配合熱管理設備、高低壓電路、機械總成等附件系統(tǒng)，共同構成車載能量存儲裝置，為車輛行駛提供動力。不同車型的設計差異較大，因此不同新能源汽車的電池包系統(tǒng)在外部形狀、內部構成、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)多級結構，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難度和相關成本。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，會引入新的安全風險，應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驗表示，隨機選取12套電池包，整個電池不開包，經過簡單循環(huán)、均衡和篩選之后，整個電池組內電池參數(shù)的差異會變得相對較小，經過100多個循環(huán)后，系統(tǒng)總容量還基本維持在這個水平。

 

關于整包形式梯次利用，有企業(yè)提出了自己的構想：如果能夠開發(fā)一套比較通用的儲能系統(tǒng)架構，未來只需要把不同狀態(tài)的電池系統(tǒng)關聯(lián)進去并建立相應的通信系統(tǒng)。在內部本身有一套完整系統(tǒng)的基礎上，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)化運行效果的關鍵

 

本次CNESA公益主題沙龍匯集了來自梯次利用產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的20余家企業(yè)和研究機構，其中有近半數(shù)單位已經開展了梯次利用示范項目，主要應用于用戶側儲能、通訊基站備用電源等領域。結合項目經驗，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)的充放電倍率應當控制在0.2C以內，充放電深度應當控制在70%范圍內。為此，應用場景也將被嚴格限制，對于用戶側并網系統(tǒng)的削峰填谷，充放電時間應當確保達到6-8小時。

 

在系統(tǒng)集成方式方面，小功率、多分支結構成為梯次利用系統(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。此種電路結構，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濟性的關鍵

 

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)經濟性的關鍵。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。在新生產的動力電池系統(tǒng)已經降低到1.3-1.5元/Wh的情況下，以何種價格回購退役動力電池就成為影響梯次利用經濟性的關鍵因素。

 

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)經濟效益，電池的回購價格應當?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，如若電池回購成本不能足夠低，梯次利用的經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)實踐經驗表示，在回收電池價格為新電池1/3的情況下，能夠將梯次利用的儲能電站的總成本降低到1.29元/Wh，整個項目是具備經濟性的。

 

5、動力電池資產所有權形式成為影響梯次利用商業(yè)模式和回收責任的關鍵

 

2016年起，我國開始針對電動汽車蓄電池回收利用發(fā)布專項政策和相關技術標準?！峨妱悠噭恿π铍姵鼗厥绽眉夹g政策（2015年版）》明確提出，新能源汽車實施生產者責任延伸制度，電動汽車生產企業(yè)應承擔電動汽車廢舊動力蓄電池回收利用的主要責任，動力蓄電池生產企業(yè)應承擔電動汽車生產企業(yè)售后服務體系之外的廢舊動力蓄電池回收利用的主要責任，梯級利用電池生產企業(yè)應承擔梯級利用電池回收利用的主要責任，報廢汽車回收拆解企業(yè)應負責回收報廢汽車上的動力蓄電池。

 

新能源汽車生產運營企業(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)由于在梯次利用產業(yè)鏈中所處位置和動力電池資產所有權形式的不同，在開展梯次利用業(yè)務過程中選取的商業(yè)模式、面臨的問題和承擔的回收責任也有所差異。一方面新能源汽車生產企業(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，擁有動力電池資產所有權的新能源汽車生產運營企業(yè)或動力電池生產企業(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用。

 

6、小結

 

CNESA研究部從2015年起長期關注退役動力電池回收及其在儲能領域的梯次利用。與前幾年的觀望態(tài)度相比，面對即將出現(xiàn)并且規(guī)?？捎^的退役動力電池，正在有越來越多的產業(yè)鏈相關方開始積極布局梯次利用技術研發(fā)和商業(yè)化應用。