中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：于會(huì)群 1,2 胡哲豪 1 彭道剛 1,2孫浩益 1
單位：1. 上海電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院；2. 上海發(fā)電過(guò)程智能管控工程技術(shù)研究中心
引用：于會(huì)群, 胡哲豪,彭道剛, 等. 退役動(dòng)力電池回收及其在儲(chǔ)能系統(tǒng)中梯次利用關(guān)鍵技術(shù)[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(5): 1675-1685.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0036
摘 要 新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，動(dòng)力電池將在更迭換代中迎來(lái)退役潮，梯次利用技術(shù)能夠在最大化利用動(dòng)力電池全壽命周期的同時(shí)緩解回收壓力及環(huán)境污染問(wèn)題。為進(jìn)一步完善梯次利用綠色可持續(xù)發(fā)展體系，本文研究了當(dāng)前梯次利用相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用場(chǎng)景，并從電池回收與儲(chǔ)能系統(tǒng)梯次利用兩方面，分別對(duì)電池回收模式、老化原理、檢測(cè)、篩選、狀態(tài)估計(jì)、容量配置、控制策略等技術(shù)研究展開(kāi)討論。最后結(jié)合國(guó)內(nèi)形勢(shì)，探討了退役動(dòng)力電池梯次利用所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，并針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的突破與產(chǎn)業(yè)體系的形成提出建設(shè)性意見(jiàn)，以期為梯次利用產(chǎn)業(yè)布局提供助力。
關(guān)鍵詞 退役動(dòng)力電池；電池回收；梯次利用；儲(chǔ)能
基于能源緊缺及清潔環(huán)保的壓力，新能源汽車在世界范圍內(nèi)得到了極速發(fā)展。近年來(lái)隨著我國(guó)“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略的實(shí)施及相關(guān)政策的推出，國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷更是發(fā)生了爆發(fā)式增長(zhǎng)。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)數(shù)據(jù)指出，我國(guó)新能源汽車銷量于2022年12月達(dá)到81.4萬(wàn)輛(圖1)，其中純電動(dòng)汽車達(dá)到62.4萬(wàn)輛，插電式混合動(dòng)力汽車銷量達(dá)到18.9萬(wàn)輛，與2021年相比增長(zhǎng)0.5倍和1.3倍。2022年全年新能源汽車銷量總計(jì)達(dá)到688.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)0.9倍。
圖1 新能源汽車銷量統(tǒng)計(jì)
新能源汽車的產(chǎn)銷日益增長(zhǎng)，使得動(dòng)力電池的需求量也隨之增大。在汽車使用3～5年后，動(dòng)力電池通常會(huì)因?yàn)槿萘亢凸β氏陆挡荒軡M足駕駛要求而退役，以5年壽命推算，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)退役電池總量可達(dá)237萬(wàn)噸，回收市場(chǎng)有望超過(guò)千億元。動(dòng)力電池的第一場(chǎng)退役高峰即將來(lái)臨，如果對(duì)退役電池直接處理而不進(jìn)行金屬回收，會(huì)造成土壤重金屬污染，大量電池回收將帶來(lái)極大的環(huán)境壓力。由于退役動(dòng)力電池尚保有80%左右的容量余量，在其他應(yīng)用場(chǎng)景仍有利用空間，其所帶來(lái)的剩余經(jīng)濟(jì)價(jià)值催生了梯次利用技術(shù)的發(fā)展，即在對(duì)退役電池進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)后應(yīng)用于諸如電網(wǎng)儲(chǔ)能、家用能源等低倍率應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)梯次利用技術(shù)的研究可以有效緩解回收所帶來(lái)的環(huán)境壓力，延長(zhǎng)了動(dòng)力電池的利用壽命，且有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。
隨著電動(dòng)汽車退役電池?cái)?shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，如何解決梯次利用相關(guān)技術(shù)難題，并建立一套標(biāo)準(zhǔn)的退役動(dòng)力電池回收利用體系，形成有序的商業(yè)市場(chǎng)將是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，本文對(duì)退役動(dòng)力電池的形勢(shì)政策、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了調(diào)研，并將梯次利用涉及技術(shù)分為回收技術(shù)與利用技術(shù)分別進(jìn)行綜述，最后針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)體系提出己見(jiàn)，以期探索退役動(dòng)力電池未來(lái)的發(fā)展方向。
1 退役動(dòng)力電池梯次利用現(xiàn)狀
1.1 產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與形勢(shì)政策
在新能源汽車剛進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)之時(shí)，為了應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池的退役熱潮，梯次利用的概念就已經(jīng)被提出，隨之國(guó)家相關(guān)部門接連出臺(tái)了多項(xiàng)政策，對(duì)企業(yè)的責(zé)任延伸、電池的生產(chǎn)交易、使用管理、拆解回收及質(zhì)量安全保障等環(huán)節(jié)進(jìn)行了規(guī)范，相關(guān)企業(yè)也隨之跟進(jìn)，開(kāi)始了電池回收利用技術(shù)的研發(fā)。
此前動(dòng)力電池梯次利用沿用動(dòng)力電池領(lǐng)域通用標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 33598—2017《車用動(dòng)力電池回收利用拆解規(guī)范》、GB/T 34015—2017《車用動(dòng)力電池回收利用 余能檢測(cè)》等。但動(dòng)力電池生產(chǎn)廠商、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)不盡相同，導(dǎo)致其退役后的狀態(tài)存在較大差異，缺乏一致性，因此部分動(dòng)力電池的標(biāo)準(zhǔn)有一定的局限性，無(wú)法清晰地規(guī)范梯次利用各環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性、統(tǒng)一性、安全性。2021年，工信部等五部門聯(lián)合印發(fā)《新能源汽車動(dòng)力蓄電池梯次利用管理辦法》，作為梯次利用的第一件專項(xiàng)文件，在以往措施基礎(chǔ)之上作出建設(shè)，鼓勵(lì)企業(yè)合作，加強(qiáng)行業(yè)管理，同時(shí)印發(fā)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《車用動(dòng)力電池回收利用 梯次利用》，明確了梯次利用產(chǎn)品及回收利用各環(huán)節(jié)的規(guī)范，涉及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。
表1 梯次利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
考慮到當(dāng)前回收成本較高、企業(yè)經(jīng)濟(jì)性較差的問(wèn)題，財(cái)政部、稅務(wù)總局于2021年12月印發(fā)政策，提及從2022年3月起，動(dòng)力電池回收、電池拆解企業(yè)增值稅退稅比例從30%增加至50%，為梯次利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供助力；2022年2月，工信部等八部門印發(fā)《關(guān)于加快推動(dòng)工業(yè)資源綜合利用的實(shí)施方案》，其中提及推進(jìn)京津冀、長(zhǎng)三角等重點(diǎn)地區(qū)的梯次利用示范工程，培育骨干企業(yè)，加大研發(fā)力度；2023年1月《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》發(fā)布，再次提及加強(qiáng)突破梯次利用及再生利用技術(shù)。完整的產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)既能夠降低新能源汽車建造成本，帶動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，又能夠緩解退役動(dòng)力電池大量堆積所帶來(lái)的市場(chǎng)及環(huán)境壓力，同時(shí)一套完整的標(biāo)準(zhǔn)體系確保了各個(gè)主體的穩(wěn)定運(yùn)作及權(quán)益，是推廣梯次利用規(guī)模化應(yīng)用的前提，我國(guó)梯次利用產(chǎn)業(yè)尚在起步階段，未來(lái)仍需更加完善的政策及標(biāo)準(zhǔn)支撐與引導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，帶領(lǐng)梯次利用產(chǎn)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展。
1.2 梯次利用場(chǎng)景
退役動(dòng)力電池在經(jīng)檢測(cè)評(píng)估后，根據(jù)電池狀態(tài)的不同可應(yīng)用于不同場(chǎng)景。理論上高容量的電池可于電池更換和儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用，低容量的則可用作備用電池、照明、基站、家庭儲(chǔ)能及UPS不間斷電源，或是充電樁、低速電動(dòng)車等低倍率放電應(yīng)用場(chǎng)景[16]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段應(yīng)用主要集中于儲(chǔ)能、基站電源、低速電車等領(lǐng)域，國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)鐵塔公司以及比亞迪、寶馬等汽車企業(yè)相繼積極規(guī)劃梯次利用示范工程，部分應(yīng)用案例見(jiàn)表2。
表2 國(guó)內(nèi)部分退役動(dòng)力電池梯次利用案例
2 退役動(dòng)力電池回收技術(shù)
動(dòng)力電池從新能源汽車上退役后，其性能已經(jīng)不如新電池，為保證梯次利用的經(jīng)濟(jì)性、安全性，在對(duì)電池進(jìn)行梯次利用之前需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的審核環(huán)節(jié)，本部分將從退役動(dòng)力電池的回收模式、鋰電池老化原理、退役動(dòng)力電池的檢測(cè)技術(shù)對(duì)梯次利用之前的回收技術(shù)進(jìn)行討論。
2.1 退役動(dòng)力電池的回收模式
梯次利用電池的經(jīng)濟(jì)性決定了其未來(lái)規(guī)?；l(fā)展的可能性，近些年來(lái)可梯次利用的電池逐漸增多，但梯次利用企業(yè)或回收利用企業(yè)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與相關(guān)跟蹤上面并沒(méi)有做到面面俱到，加之市面上退役電池的規(guī)格參數(shù)與廠商標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，導(dǎo)致企業(yè)在電池來(lái)源及技術(shù)研究方面出現(xiàn)困難，難以保障產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性發(fā)展，而合理的回收模式能夠助力企業(yè)取得可觀的收益，推進(jìn)企業(yè)投身梯次利用行業(yè)。
退役電池的回收具有逆向物流的特點(diǎn)，如圖2所示。目前根據(jù)回收主體的不同，存在三種主流回收模式：生產(chǎn)商回收模式、第三方回收模式以及聯(lián)盟(合作)回收模式。生產(chǎn)商回收模式指電池或汽車廠商直接對(duì)電池進(jìn)行回收利用，其優(yōu)勢(shì)是對(duì)產(chǎn)品較為熟悉，回收方便，但回收產(chǎn)品單一，規(guī)模較小，經(jīng)濟(jì)性較低；第三方回收模式指第三方回收企業(yè)對(duì)電池進(jìn)行回收與轉(zhuǎn)售，其優(yōu)勢(shì)是專業(yè)性較強(qiáng)且規(guī)模較大，但回收種類多樣化，技術(shù)要求較高；聯(lián)盟回收模式指生產(chǎn)商與第三方企業(yè)進(jìn)行合作，其優(yōu)勢(shì)是渠道多、影響力廣、規(guī)模大，但對(duì)雙方企業(yè)存在一定約束，合作要求高。
圖2 物流流程圖
因此不同模式各具優(yōu)劣，在不同場(chǎng)景下適宜的模式不同，文獻(xiàn)[20]結(jié)合實(shí)際汽車企業(yè)建立逆向物流網(wǎng)絡(luò)模型，并驗(yàn)證了其有效性；文獻(xiàn)[21]基于成本與碳排放最優(yōu)進(jìn)行不同回收模式網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，為我國(guó)逆向物流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)提供一定的參考；文獻(xiàn)[22]結(jié)合市場(chǎng)要求，在三種模式之上提出動(dòng)力電池生產(chǎn)商聯(lián)合的逆向物流網(wǎng)絡(luò)模式，并用Lingo對(duì)混合整數(shù)線性模型求解得到最優(yōu)收益；文獻(xiàn)[23]綜合分析基于Blockchain的回收效率，驗(yàn)證了區(qū)塊鏈技術(shù)加持之下，各回收模式的效率更優(yōu)。
退役電池回收工程龐大，其回收模式需綜合考量回收流程、企業(yè)與市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)及管理、各環(huán)節(jié)成本及收益等因素，國(guó)內(nèi)較國(guó)外起步略晚，對(duì)退役電池回收模式的研究較少，相關(guān)模型需進(jìn)一步改進(jìn)與測(cè)試，深入討論各類因素所帶來(lái)的影響，為適合國(guó)內(nèi)回收模式的形成提供參考。
2.2 鋰電池老化原理
退役動(dòng)力電池從回收到最后實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估必不可少，深入了解動(dòng)力電池老化原理是各項(xiàng)評(píng)估技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)。鋰電池是當(dāng)前市場(chǎng)上使用最廣泛的電池之一，電池內(nèi)部構(gòu)成如圖3所示，在其充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生一些不可逆的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電池的老化，老化機(jī)理可分為三類：鋰離子的損失(loss of lithium inventory，LLI)、活性材料的損失(loss of active material，LAM)以及內(nèi)阻增加。鋰電池的工作原理是基于正極和負(fù)極活性材料的插層和脫層，因此鋰離子以及活性材料的數(shù)量直接影響電池的容量。LAM主要由石墨剝落、金屬溶解和顆粒斷裂等引起；LLI主要由鋰的沉積及固體電解質(zhì)相界面膜(solid electrolyte interface，SEI)引起，首次充放電時(shí)鋰離子會(huì)跟電解質(zhì)和有機(jī)溶劑發(fā)生反應(yīng)，在電極與電解液的接觸面上生成SEI保護(hù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但會(huì)不可逆地消耗鋰和電解質(zhì)，導(dǎo)致電池性能衰退。
圖3 鋰電池工作原理圖
實(shí)際電池運(yùn)行中，環(huán)境溫度、充放電深度、循環(huán)次數(shù)等因素會(huì)進(jìn)一步加劇電池的老化反應(yīng)，文獻(xiàn)[28]對(duì)不同影響因素下的鋰電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明充放電倍率及深度的增大會(huì)加快電池的容量衰減，且低溫狀態(tài)下，電池循環(huán)性能減弱；文獻(xiàn)[29]從不同循環(huán)區(qū)間寬度對(duì)容量老化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析表明電池使用區(qū)間越小，老化速度越慢，同時(shí)證明恒壓充電會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)老化加速“拐點(diǎn)”；文獻(xiàn)[30]基于SEI的生長(zhǎng)、鍍鋰層等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了SEI生長(zhǎng)是電池初期老化過(guò)程呈線性的原因，鍍鋰是老化曲線由線性過(guò)渡為非線性的原因。
由此可知，在電池老化的整個(gè)過(guò)程中，各類電極反應(yīng)與不可逆的化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，相互耦合，老化過(guò)程的研究仍需精進(jìn)。退役動(dòng)力電池的性能變化受電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)影響而不同，因此了解電池在退役之前的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確地評(píng)估電池的性能狀態(tài)至關(guān)重要，且電池老化存在由線性到非線性狀態(tài)的過(guò)渡，如圖4所示，深入了解電池衰退原理與運(yùn)行之間的關(guān)系且有效采集保留運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)動(dòng)力電池適合退役或二次退役的節(jié)點(diǎn)，促進(jìn)退役動(dòng)力電池的梯次利用的有效性及經(jīng)濟(jì)性。
圖4 動(dòng)力電池老化曲線
2.3 退役動(dòng)力電池的檢測(cè)
退役動(dòng)力電池的檢測(cè)是評(píng)估退役動(dòng)力電池再利用價(jià)值的重要環(huán)節(jié)。由于生產(chǎn)廠商不同、型號(hào)結(jié)構(gòu)不同以及退役前復(fù)雜的工作環(huán)境，各電池的狀態(tài)與性能存在極大的差異，錯(cuò)誤的評(píng)估及使用會(huì)嚴(yán)重影響電池的工作性能，更甚者或引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，造成人身?yè)p害及經(jīng)濟(jì)損失，因此電池在回收后必須進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，符合規(guī)范要求的電池進(jìn)入后續(xù)流程，狀態(tài)較差的則進(jìn)行拆解處理。
初步檢測(cè)可以通過(guò)觀察退役電池的外觀來(lái)排除一些存在明顯物理性損壞的電池，如零部件缺失、變形、破損、鼓包、漏液等。隨后檢測(cè)電池的內(nèi)阻、容量、自放電、充放電性能等數(shù)據(jù)是否達(dá)標(biāo)，剔除內(nèi)阻高、容量低、自放電率高或是充放電效率低的電池。容量檢測(cè)方面通常將電池在恒定電流之下進(jìn)行一次充放電循環(huán)，即可得到電池容量，該方法稱為恒流充放電檢測(cè)方法，同時(shí)為保證電池一致性，將退役動(dòng)力電池按容量不同進(jìn)行劃分，如文獻(xiàn)[33]提出將退役動(dòng)力電池按利用模式進(jìn)行劃分，容量處于60%～80%時(shí)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可于電網(wǎng)側(cè)起到削峰填谷的作用；容量處于45%～60%時(shí)，容量較低，極化反應(yīng)加速，可于發(fā)電側(cè)用于火電調(diào)頻；容量處于30%～45%時(shí)，容量過(guò)低，性能較差，只能用作備用電源儲(chǔ)能設(shè)施；容量低于30%時(shí)，電池已沒(méi)有再利用效益，應(yīng)拆解處理。內(nèi)阻檢測(cè)方面常采用直流或交流測(cè)量法，也可使用如DME-50等內(nèi)阻測(cè)試儀器直接測(cè)量。
退役電池的檢測(cè)涉及眾多參數(shù)，為了更為細(xì)致地評(píng)判退役電池健康狀態(tài)，部分學(xué)者提出綜合評(píng)估方法，文獻(xiàn)[35-36]通過(guò)對(duì)退役動(dòng)力電池各個(gè)老化特征的主要參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行建模分析，提出了一種系統(tǒng)評(píng)估電池性能的方法。文獻(xiàn)[37]以梯次應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)為對(duì)象，從電池種類、廠家、一致性安全3個(gè)方面構(gòu)建安全評(píng)估指標(biāo)體系，并通過(guò)熵權(quán)-TOPSIS法及層次分析法對(duì)其進(jìn)行評(píng)估及分析。
3 退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)梯次利用技術(shù)
具有精準(zhǔn)快速跟蹤能力的電化學(xué)儲(chǔ)能能夠輔助傳統(tǒng)機(jī)組更好地消納新能源，支撐新能源大規(guī)模并網(wǎng)。雙碳背景下，風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，儲(chǔ)能配比也隨之提升，將退役動(dòng)力電池梯次利用于儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠最大程度發(fā)揮其利用價(jià)值，既解決了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染的問(wèn)題，也能改善儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性較差的現(xiàn)狀，部分學(xué)者也于此方面開(kāi)展相關(guān)研究，并取得了一定的進(jìn)展。
3.1 狀態(tài)估計(jì)
安全性是退役動(dòng)力電池規(guī)?；瘧?yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的阻礙之一，與全新的儲(chǔ)能電池相比，退役動(dòng)力電池在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，更易發(fā)生容量降低、內(nèi)阻增加、內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)改變等老化反應(yīng)，因此除了對(duì)電池進(jìn)行高效利用之外，其性能狀態(tài)的監(jiān)管也是不可或缺的一環(huán)，狀態(tài)估計(jì)技術(shù)的發(fā)展不僅是退役電池安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障，同時(shí)也是電池回收時(shí)進(jìn)行檢測(cè)篩選的判斷依據(jù)。狀態(tài)估計(jì)包括SOC(荷電狀態(tài))以及SOH(健康狀態(tài))，常用估計(jì)方法可分為實(shí)驗(yàn)估計(jì)、模型估計(jì)及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)估計(jì)為利用特定設(shè)備直接對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行分析，并獲得相關(guān)老化參數(shù)來(lái)判斷當(dāng)前狀態(tài)，更多用于退役動(dòng)力電池離線診斷，適用于運(yùn)用前的狀態(tài)檢測(cè)或?qū)嶒?yàn)研究，同時(shí)為模型建立提供理論依據(jù)。
模型估計(jì)即建立電池等效模型，仿真電池內(nèi)部性質(zhì)，模擬充放電行為，分析模型與參數(shù)之間的相互關(guān)系實(shí)現(xiàn)估計(jì)。針對(duì)退役動(dòng)力電池復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，學(xué)者提出適用范圍廣、估計(jì)精度高的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(extended Kalman filter，EKF)，文獻(xiàn)[38]建立梯次利用電池全壽命模型，針對(duì)初值不明確的問(wèn)題提出自適應(yīng)KF算法，實(shí)時(shí)估算時(shí)變?cè)肼暎行Ы档土薙OC估算誤差；文獻(xiàn)[39]基于表面溫度的差分溫度伏安曲線建立老化機(jī)理模型，利用融合濾波算法提取健康特征，使用改進(jìn)高斯過(guò)程回歸算法解算SOH。但上述方法沒(méi)有考慮不同退役動(dòng)力電池老化程度存在差異的問(wèn)題，對(duì)此文獻(xiàn)[40-41]通過(guò)對(duì)退役動(dòng)力電池在不同SOC、SOH、溫度下進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy， EIS)測(cè)試，建立EIS等效模型，實(shí)現(xiàn)了SOC、SOH快速、動(dòng)態(tài)估計(jì)。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為對(duì)電池歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)或離線測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，得到特征與電池狀態(tài)之間的映射模型，同時(shí)運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行訓(xùn)練。文獻(xiàn)[37]基于所挖掘的梯次利用電池的老化特征，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法對(duì)老化特征進(jìn)行約簡(jiǎn)后作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型輸入，建立基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)評(píng)估模型。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法高度依賴數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)量以及共同性，但退役動(dòng)力電池在二次使用時(shí)老化模式與新電池存在明顯差異，且目前梯次利用電池溯源管理不完備，數(shù)據(jù)獲取困難，對(duì)此文獻(xiàn)[42-43]結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢煞N方法，通過(guò)ICA提取電池特征，用高斯過(guò)程回歸法建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用預(yù)測(cè)值擬合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)電池SOC、SOH進(jìn)行估計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明該方法能在減輕監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)擔(dān)的同時(shí)保證預(yù)測(cè)的較高精度。
3.2 篩選與重組
由于眾多電池個(gè)體間一致性存在較大差異，如單體容量、內(nèi)阻及SOC不一致等，性能不同的電池進(jìn)行重組可能出現(xiàn)短板效應(yīng)，單個(gè)電池將影響整組電池的性能，造成資源浪費(fèi)，為便于后續(xù)退役電池進(jìn)行重組且保證應(yīng)用效益最大化，需對(duì)電池進(jìn)行篩選，學(xué)者們對(duì)一致性篩選聚類技術(shù)進(jìn)行了研究，鑒于機(jī)器學(xué)習(xí)能夠有效降低參數(shù)復(fù)雜性，且擁有大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理能力，研究熱點(diǎn)集中于機(jī)器學(xué)習(xí)[44]，常用的聚類算法有K-MEANS、BIRCH、DBSCAN等，文獻(xiàn)[45]提出了一種基于密度的MD-DBSCAN方法綜合評(píng)價(jià)電池不一致性，在不降低利用率的情況下提高了篩選效率；文獻(xiàn)[46]考慮到評(píng)估參數(shù)眾多，運(yùn)用模糊K-MEANS算法對(duì)電池進(jìn)行分組，降低電池間不一致性帶來(lái)的影響；文獻(xiàn)[47]考慮不同需求下的篩選差異，提出基于遺傳編碼優(yōu)化的定制化聚類技術(shù)，能夠針對(duì)性地對(duì)電池進(jìn)行定向篩選。
在完成檢測(cè)與篩選之后，退役動(dòng)力電池將基本滿足梯次利用要求進(jìn)入重組階段。退役動(dòng)力電池存在電池包、電池模組、電池單體三種形式，以單體的形式進(jìn)行重組能夠保持較高的一致性，但由于激光、電磁焊接等剛性工藝會(huì)導(dǎo)致電池拆解困難、耗時(shí)久、成本高。若以電池包為單元進(jìn)行利用，操作簡(jiǎn)單且成本低，但安全隱患高且無(wú)法最大化利用電池包內(nèi)的電池容量。因此模組級(jí)是較為理想的重組方式，電池模組容量和電壓較低，需要組間進(jìn)行串并聯(lián)以滿足儲(chǔ)能需求，由于退役電池個(gè)體參數(shù)差異的存在以及連接方式的不同，通常會(huì)出現(xiàn)電池系統(tǒng)容量下降的情況，國(guó)內(nèi)對(duì)于此方面的研究較少，文獻(xiàn)[49]對(duì)串聯(lián)模組與并聯(lián)模組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得到其分別受電池單體內(nèi)阻及容量影響的結(jié)論；文獻(xiàn)[50-51]研究發(fā)現(xiàn)電池單體位置能夠明顯影響成組系統(tǒng)容量。但上述文獻(xiàn)未對(duì)結(jié)論進(jìn)行具體分析，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定，具有一定的局限性，針對(duì)差異化顯著的退役動(dòng)力電池重組的研究仍需精進(jìn)。
3.3 容量配置
應(yīng)用場(chǎng)景不同，所需儲(chǔ)能容量也不同，因此需要根據(jù)實(shí)際工程需求對(duì)電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能配置進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，在平衡儲(chǔ)能系統(tǒng)與用戶側(cè)需求的同時(shí)保證運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。與新電池相比，梯次利用儲(chǔ)能雖然成本低廉，但其壽命與容量存在不足，合理配置容量規(guī)模對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。
對(duì)于容量?jī)?yōu)化配置的研究目前主要集中于模型建立以及優(yōu)化求解算法，對(duì)電池及系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)動(dòng)態(tài)約束條件解算得出最優(yōu)配置。容量配置模型綜合考慮儲(chǔ)能類型(蓄電池、飛輪等)、儲(chǔ)能性能(功率型儲(chǔ)能、能量型儲(chǔ)能)、系統(tǒng)運(yùn)行方式(并網(wǎng)、孤島)等因素；目標(biāo)函數(shù)集中于系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性；優(yōu)化求解算法多為啟發(fā)式算法，如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或是改進(jìn)的混合式算法。文獻(xiàn)[53-54]分別建立退役動(dòng)力電池應(yīng)用于風(fēng)儲(chǔ)、風(fēng)光儲(chǔ)的聯(lián)合模型，以成本最優(yōu)及平抑波動(dòng)可靠性最高為目標(biāo)函數(shù)得到最優(yōu)容量配置，并根據(jù)實(shí)際電場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了配置的可行性，但上述配置模式與傳統(tǒng)容量配置類似，通常考慮系統(tǒng)性能與經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，退役動(dòng)力電池的性能限制及老化情況往往被忽略，基于此文獻(xiàn)[55]考慮到梯次利用儲(chǔ)能容量變化對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，計(jì)及電池循環(huán)壽命，引入螢火蟲(chóng)算法求解得到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的容量配置；文獻(xiàn)[56]根據(jù)退役動(dòng)力電池的衰減特性建立長(zhǎng)期規(guī)劃模型，并引入共享儲(chǔ)能的概念，采用多目標(biāo)鯨魚算法進(jìn)行求解，得到了規(guī)劃期內(nèi)的容量配置。
3.4 控制策略
梯次利用電池較新電池而言性能與狀態(tài)皆有所不足，對(duì)于控制策略的研究在保障系統(tǒng)性能的同時(shí)，通常還需側(cè)重于對(duì)電池充放電模式的制定，科學(xué)的控制策略使得電池全生命周期高效利用的同時(shí)安全運(yùn)行。
為避免梯次利用電池的過(guò)充過(guò)放，文獻(xiàn)[54]對(duì)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，基于SOC狀態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)下垂系數(shù)進(jìn)行修正，優(yōu)化梯次利用電池的功率分配；文獻(xiàn)[57]根據(jù)電池簇SOC情況，按比例分配各分支電池簇功率，保證其健康狀態(tài)趨于一致，達(dá)到同期退役的目的。為避免調(diào)節(jié)效果不理想，調(diào)節(jié)容量不足，不同場(chǎng)景下梯次利用電池如何響應(yīng)電力系統(tǒng)需求也應(yīng)有合理的控制策略進(jìn)行指導(dǎo)，在綜合考慮風(fēng)、光、火、儲(chǔ)的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性的前提下保證各單位的協(xié)調(diào)控制是如今面臨的主要問(wèn)題。文獻(xiàn)[58]以光儲(chǔ)充電站為背景，根據(jù)功率與負(fù)荷需求將退役電池分級(jí)使用，新電池深充深放，舊電池淺充淺放，并考慮SOC估算誤差所帶來(lái)的影響，利用雨流計(jì)數(shù)法降低了SOC估算精度需求，提升了系統(tǒng)可靠性；文獻(xiàn)[59]建立風(fēng)儲(chǔ)控制模型，并根據(jù)閾值上下限控制儲(chǔ)能切換模式，同時(shí)以日收益最高構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群算法求解，最后對(duì)新疆某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行分析得到該控制策略能夠最大化消納風(fēng)電且經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)；文獻(xiàn)[60]基于共享儲(chǔ)能的運(yùn)營(yíng)模式，考慮平抑電網(wǎng)波動(dòng)、協(xié)調(diào)新能源等多種場(chǎng)景進(jìn)行建模，針對(duì)退役動(dòng)力電池衰減特性采取分級(jí)控制，仿真結(jié)果證明該策略能夠減少傳統(tǒng)機(jī)組出力，優(yōu)化儲(chǔ)能功率分配，提高利用率。
4 行業(yè)挑戰(zhàn)及展望
面對(duì)日益增長(zhǎng)的新能源汽車，數(shù)量龐大的退役動(dòng)力電池將是一個(gè)極為嚴(yán)峻的問(wèn)題，動(dòng)力電池梯次利用已是大勢(shì)所趨，成熟的梯次利用體系將為解決該問(wèn)題提供一個(gè)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、有效的途徑。2022年6月，國(guó)家能源局發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求(征求意見(jiàn)稿)》，文件不提倡中大型儲(chǔ)能電站使用梯次利用電池，若要進(jìn)行使用，需要經(jīng)過(guò)一致性篩選，同時(shí)根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評(píng)估。國(guó)內(nèi)梯次利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍在起步階段，目前想要對(duì)退役動(dòng)力電池進(jìn)行規(guī)模化的應(yīng)用暫且呈現(xiàn)阻滯狀態(tài)，無(wú)論是技術(shù)問(wèn)題或是管理問(wèn)題都亟需解決。
4.1 關(guān)鍵技術(shù)突破
（1）老化及壽命模型。退役動(dòng)力電池的安全性是其被推上風(fēng)口浪尖的主要原因之一，當(dāng)前電池老化研究更多是針對(duì)新電池方面，對(duì)于梯次利用電池的老化研究較少，梯次利用電池由于其退役前工作狀態(tài)的多樣性，其老化機(jī)制更為復(fù)雜，充分考慮運(yùn)行方式、運(yùn)行環(huán)境、電池結(jié)構(gòu)等多影響因素的老化模型將有助于電池的狀態(tài)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確排除不適用于梯次利用的電池，且保證運(yùn)行中的電池的安全。同時(shí)還需加深容量或壽命預(yù)測(cè)模型的研究，準(zhǔn)確判別合適的退役動(dòng)力電池梯次利用場(chǎng)景、運(yùn)行效率、運(yùn)行方式，在安全的前提下最大化利用電池資源后找到電池老化拐點(diǎn)，進(jìn)行二次退役。
（2）篩選聚類技術(shù)。目前篩選聚類技術(shù)主流采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，但多存在準(zhǔn)確度與速度相矛盾的情況，且模型泛化能力不足，為迎合大量退役電池進(jìn)入產(chǎn)業(yè)，未來(lái)所研究的篩選方法不宜過(guò)于復(fù)雜，需構(gòu)建簡(jiǎn)單實(shí)用的學(xué)習(xí)模型，開(kāi)發(fā)出魯棒性更強(qiáng)的算法，基于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，自動(dòng)且高效地將電池分配給合適的場(chǎng)景，促進(jìn)梯次利用產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。
（3）容量配置模型。合理的容量配置模型對(duì)優(yōu)化研究并應(yīng)用于實(shí)際工程有著重要影響，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置，模型通常還需考慮發(fā)電量、負(fù)荷需求、新能源間歇性等不確定因素，多種因素相互耦合，需要容量配置的研究給出一個(gè)參數(shù)可變的選擇范圍，而不是確切值，以供實(shí)際應(yīng)用需求，且還需深刻考量退役動(dòng)力電池性能限制及老化所帶來(lái)的影響，同時(shí)避免研究?jī)H存在理論有效性，需加強(qiáng)技術(shù)研究成果與示范工程的結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。
4.2 產(chǎn)業(yè)體系形成
（1）溯源管理。電池歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)是提高梯次利用效率的基礎(chǔ)，規(guī)范的電池溯源管理是取得歷史數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，需明確落實(shí)生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度，對(duì)各環(huán)節(jié)主體所需溯源信息提出要求，充分利用溯源管理平臺(tái)，加強(qiáng)維護(hù)和監(jiān)管，未來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，或?yàn)殡姵氐闹悄芄芾?、?shù)據(jù)采集提供強(qiáng)有力的支持。
（2）商業(yè)模式。梯次利用技術(shù)與工藝尚不成熟，生產(chǎn)供應(yīng)鏈體系仍待形成，因此目前退役電池檢測(cè)和重組成本過(guò)高，產(chǎn)品出廠價(jià)格過(guò)高，經(jīng)濟(jì)效益低下，且大比例的退役動(dòng)力電池進(jìn)入非正規(guī)渠道，電池退役量雖多，部分廠商卻出現(xiàn)無(wú)電池可用的尷尬局面，亟需加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，推進(jìn)回收單位與“白名單”企業(yè)直接對(duì)接，建立正規(guī)回收渠道，充分利用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，盡快規(guī)范市場(chǎng)制度，形成回收體系。同時(shí)創(chuàng)新商業(yè)模式，拓寬應(yīng)用場(chǎng)景，如換電、租賃(共享)、能源服務(wù)外包等模式，當(dāng)今智能電網(wǎng)蓬勃發(fā)展，建議企業(yè)加強(qiáng)與電網(wǎng)合作，利用梯次利用技術(shù)解決新能源消納及調(diào)度，助力清潔能源轉(zhuǎn)型。
（3）標(biāo)準(zhǔn)與政策。任何產(chǎn)業(yè)在發(fā)展階段都離不開(kāi)政策與標(biāo)準(zhǔn)的指引，國(guó)家雖已出臺(tái)相關(guān)文件扶持，并積極構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系，但仍不完善，缺少梯次利用針對(duì)性制度。為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)快速有序發(fā)展，需對(duì)退役電池的運(yùn)輸與監(jiān)管、行業(yè)與市場(chǎng)的法規(guī)、檢測(cè)評(píng)估與篩選重組指標(biāo)、電池分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、再退役標(biāo)準(zhǔn)、消防安全規(guī)范等進(jìn)行更為細(xì)致地制定。鑒于回收儲(chǔ)運(yùn)、檢測(cè)等成本導(dǎo)致梯次利用產(chǎn)品成本過(guò)高，企業(yè)營(yíng)收不足，需對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)加以補(bǔ)貼激勵(lì)。同時(shí)對(duì)電池研發(fā)、生產(chǎn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建統(tǒng)一電池規(guī)格、結(jié)構(gòu)、組裝工藝，從源頭上提高電池梯次利用效率，降低附加成本。
5 總結(jié)
一個(gè)產(chǎn)業(yè)從摸索到成熟是循序漸進(jìn)的過(guò)程，為踐行“雙碳”背景的綠色低碳理念，新能源動(dòng)力電池及其梯次利用在節(jié)能減排與資源利用上展現(xiàn)出巨大潛力，推動(dòng)梯次利用產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展已是行業(yè)共識(shí)。本文系統(tǒng)闡述了梯次利用回收相關(guān)技術(shù)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)，并對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行展望，希望能夠?yàn)楫a(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步及高質(zhì)量發(fā)展提供助力，推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。
