中國儲能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉大酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，國網(wǎng)河南省電力有限公司電力科學研究院高級工程師趙光金，在“電動汽車與動力電池專場”，以《退役動力電池梯次利用最新研究進展及應用實踐》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
趙光金：各位同行，大家上午好！由我代表國網(wǎng)河南省電力有限公司電力科學研究院給大家介紹一下動力鋰電池梯次利用最新的研究進展及應用實踐。因為河南電科院在電池梯次利用方面算是比較早的，從2010年開始就介入這方面的研究，這兩年也取得了一些成績。我的介紹分下面四個方向，首先是介紹一下背景。因為剛才很多專家介紹的是電池儲能相當于生產(chǎn)應用的前端，我現(xiàn)在要介紹的梯次利用包括回收處理實際上是處于產(chǎn)業(yè)鏈的后端?，F(xiàn)在的環(huán)境污染問題比較嚴重，所以說在環(huán)保方面大家也是非常的重視包括汽車尾氣污染，實際上汽車尾氣的問題進一步推動了燃油汽車向電動汽車方式的轉變。從產(chǎn)業(yè)政策方面來講包括實際現(xiàn)在的發(fā)展情況，這兩年電動汽車的發(fā)展素噸越來越快，整體帶動鋰電池的發(fā)展也在迅速推動，但是這也帶來了另外一個問題，就是這些電池大量的被用于電動汽車上包括按照相關的規(guī)定從安全角度80%電動汽車上的動力電池就要進行退役，這些退下來的電池去到哪里、怎么處置這是一個很嚴峻的問題。前一段時間關于固體廢棄物的處置實際上就已經(jīng)提出來這個問題了，每年大量的固體廢氣物作為垃圾現(xiàn)在沒有很好的處置方法只能是簡單的填埋或者是一些技術性處理，但是真正能做到完全控制的處理只是很少一部分，所以說如何從整個產(chǎn)業(yè)鏈角度考慮減少產(chǎn)生量這是一個比較切實的問題。根據(jù)國網(wǎng)公司2015年進行過摸底，國網(wǎng)公司自己掌控的退運的動力鋰電池達到了100兆瓦時這個量是很大的，未來隨著各種類型電動車的推廣所以說這個電池的量會越來越多，而且這一部分電池從現(xiàn)在的趨勢因為產(chǎn)權問題有的在車企有的在公司有的在電網(wǎng)公司，所以說這一部分電池將來的處置模式也是我們需要解決的。從這個角度來講，梯次利用提出了解決的方案，因為電池組成本身在整個整車成本比重占的是很大的，而且通過梯次利用用于儲能等等方向首先就解決了電池全壽命周期的使用，節(jié)約了礦產(chǎn)資源過度開發(fā)。另外一方面，解決方案的提出也在一定程度上可以消除環(huán)境隱患和安全隱患，這是動力電池梯次利用發(fā)展的必要性，這個就不再多說了。
下面介紹一下退役電池梯次利用技術及應用。梯次利用因為從安全性角度上來說已經(jīng)不再適合用于動力汽車，但是通過我們的研究包括各種安全測試來看用于輕型電動車包括小型儲能備用電源和觀光車還是沒有問題的，現(xiàn)在各種研究情況國內(nèi)外主要是進行探索性研究，也就是示范工程為主，而且應用領域并不是多樣化的主要集中在一些小型備用電源這塊，而且是一些驗證式的研究為主。我們從這三個地方考慮希望加強基礎研究和標準化產(chǎn)品的設計研究，還有一些功能化的應用。按這個思路我們對于通過退役電池本體跟新電池在各種性能上差別的研究，進一步評估它在進行梯次利用時候各種應用技術開發(fā)包括重組、均衡、電池管理系統(tǒng)包括儲能和微網(wǎng)相結合以及在實際工程中的應用來進行進一步的驗證。之前的研究結果我們從衰減特性、內(nèi)部理化特征、安全性、熱特性以及壽命預測等等方向對電池本體進行了一個比較全面的評估。綜合我們的研究結果來看電池梯次利用在可行性方面是沒有問題的，它的安全性可能不像新電池要求那么高，但是在可控的范圍內(nèi)、在可控的應用場合下安全性是可以得到保證的。
再一個就是我們研究整個退役電池組的拆解工藝，包括整車下來放電預處理、進一步拆解以及最后對電池的拆卸，我們在工程化應用的過程中發(fā)現(xiàn)實際上拆到單芯存在一定的問題，就是從經(jīng)濟成本包括后續(xù)重組再利用包括中間的測試等等都會有。我們現(xiàn)在選擇比較合適的模式認為是拆到電池包為主，拆到電池包之后以整包為單位對電池能否梯次利用進行整體性的判斷。在這方面我們也根據(jù)現(xiàn)在的行業(yè)趨勢，現(xiàn)在都講究智能制造我們也提出智能拆解，所以說我們也提出了簡單的拆解裝置研發(fā)。下面具體講一下退役電池的電池組性能測試，我們根據(jù)從公交大巴換下來的退役電池情況具體進行測試之后發(fā)現(xiàn)剩余容量達到70%以上占了89%，也就是說正常退役電池中有很大一部分可以進行梯次利用，而且這一部分梯次利用的情況是比較好的，其中80%剩余容量占44%可以說這一部分的電池是整個梯次利用全部電池中的精華所在。我們對這些電池在梯次利用過程中性能也進行了跟蹤性測試，新電池的衰減曲線因為由生產(chǎn)批次、工藝各方面進行控制是控制得比較好的，但是電池退役之后它的性能情況可能跟我們預想差別很大。我們就對這些退役了的電池在梯次利用中的性能進行了跟蹤測試，這是測了接近一年的時間在這個過程中我們發(fā)現(xiàn)一個特點在整體測試的時候會出現(xiàn)一些衰減突變。在這個情況下，并不是說電池不能用了，但是容量會出現(xiàn)階梯式的下降，衰減突變在梯次利用中可能會對后面造成很大的影響，因為梯次利用的BMS控制在各種參數(shù)設置上跟新電池是不一樣的，但是隨著衰減突變存在會導致閥值出現(xiàn)異常型的失效，本來正常運行按照BMS控制策略是非常好的但是發(fā)生突變之后原來的控制策略已經(jīng)控制不住整個梯次利用的儲能體系。這里舉了一個實例是250千瓦2小時的實例，用的是出租車上退下來大概四年左右的電池，對于這些電池我們進行了簡單的測試發(fā)現(xiàn)主要容量集中在150-155區(qū)域，這里面考慮的就是電池包不是電池單芯。
我們?nèi)绻堰@個電池用作家庭的小型儲能或者電動自行車的話這個時候梯次利用控制的時候就是浮動值一般控制在8%左右，在這種情況下我們按照這個再去綜合考慮價差、內(nèi)阻特性這樣篩選下來之后實際上只有大概101個包可以再繼續(xù)使用，其余的包實際上是很難進行配租的。但是如果是移動灌溉車這種因為他會進行移動并且規(guī)模性上去之后對于梯次利用的浮動控制要求的更嚴了一些，大概5%。在這個時候所有模組抽樣只有3%能進行配組剩余的就很難了。如果進行一百千瓦級以下小型儲能的時候浮動控制根據(jù)我們的研究是控制在正負4%比較合適的，這個時候他的模組篩選率大概是58%，也就是說隨著規(guī)模越大對于應用場合要求越高，對于電池的可控性要求也就越高，同時對于梯次利用可篩選率是在降低的，所以說綜合這個來看在梯次利用過程中實際上體量并不是越大越好，盡可能從安全包括成本角度來說選取一個合適的控制體量這是一個比較好的平衡，如果要控制到兆瓦級我們做的正負3%這是一個硬條件，不可能比這個再寬泛。實際上正負3%這一點就可以看出來，幾乎跟新電池的差別就已經(jīng)不是特別大了，所以說這個對于梯次利用來說是一個挑戰(zhàn)。這是我們進行配組的時候你會發(fā)現(xiàn)整體容量會比其他容量都高很多，還有切換功能的設置上造成很大的麻煩，因為這一路會跟其他一路都不一樣，到時候發(fā)指令的時候對于切換包括虛擬同步這些技術實際上它的要求都會提高很高，這時候再去做梯次利用成本優(yōu)勢是很值得考慮的地方。這是以剛才為例的拓撲結構圖可以明顯看出實際上五路是要單獨控制的，這時候對于PCS包括連接點的設備元件考驗都是比較大的，在此基礎上我們也開發(fā)了儲能系統(tǒng)設計軟件，希望通過軟件提前設定好的參數(shù)拿到一個電池輸入它的來源信息包括基礎信息自動選擇出很好的篩選方案來支持后面的梯次利用。這是我們做的一些小的嘗試，左邊這個是早期的家庭儲能產(chǎn)品，右邊也進行了優(yōu)化。這是開發(fā)的移動灌溉車，這在國網(wǎng)系統(tǒng)中用的比較多尤其是在山區(qū)里面，還有一些偏遠地區(qū)需要進行負荷支撐或者農(nóng)田灌溉的時候，移動式的小型儲能對于建設專線成本實際上是很大的降低。
剛才講的是退役電池梯次利用的技術和應用，偏重于技術方面和梯次利用整體的優(yōu)點。下面主要講一下產(chǎn)業(yè)化若干問題的思考，這是我們近一兩年做了一些功能性案例，但是在做功能案例中感覺出來梯次利用遇到的一些問題，這個也跟大家提出來共同分享。因為這個問題的解決可能對于推動將來梯次利用產(chǎn)業(yè)商業(yè)化發(fā)展有很大的好處。
一個是商業(yè)模式。因為梯次利用現(xiàn)在的總體思路上是比較清楚的，從報廢電池到回收公司回收再分選梯次利用，通過梯次利用進行儲能系統(tǒng)應用，不可梯次利用或者報廢就直接走入到回收處理。這里就有一個問題，進行商業(yè)模式的時候往往有四個地方是不可回避的第一個是回收。因為現(xiàn)在梯次利用電池都是從動力電動汽車上退下來的，汽車上的電池產(chǎn)權實際上現(xiàn)在各有各的方法，有的是歸到整車廠商、有的是歸到電池廠商還有的是歸到供電公司、政府或者是個人。這一部分電池的來源非常多，他要進行回收肯定要找有資質公司，鋁電池國家在這塊有一個導向性但是不是很明確，不像說鉛酸電池的生產(chǎn)廠商就要進行回收而且各地環(huán)保部門會根據(jù)每年鉛酸電池廠商回收情況批下一年生產(chǎn)的指標數(shù)。鋰電池這塊暫時沒有很明確的說法，所以將來怎么樣拿到資質并且什么樣的資質是合理的資質這是必須要考慮的問題。另外回收過程中污染處置跟現(xiàn)在國家的政策，污染處置肯定是有償進行，這塊現(xiàn)在還沒有一個明確的說法。比如說我交給處置公司處置我給他錢這個錢怎么算，這實際上是沒有明確說法的，包括國家政策層面會不會在這上面給予一定的補助和補貼，這都是沒有很明確的。第三個需要注意的地方就是梯次利用，它的成本控制也是很重要的。梯次利用大家總覺得舊電視拿過來分選再弄，但是這個過程當中的運輸成本、人工成本都需要考慮進去而且是如果將來商業(yè)化進行的話不可避免的。還有就是儲能系統(tǒng)應用標識認證問題，這個地方實際上是有一個比較敏感的地方，就是說梯次利用電池進行梯次利用的時候我用的比如說是A公司的電池，但你在進行梯次利用之后形成的梯次利用產(chǎn)品它的商標究竟是屬于哪一方的，是屬于你這還是跟A公司需要再簽訂一定的協(xié)議，如果是做利用處置這從知識產(chǎn)權和商標權是繞不開。通過我們在實際應用過程中感覺到的事情，我們現(xiàn)在認為梯次利用現(xiàn)在直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益是比較困難的，它比較可行的盈利模式是先通過回收造成比較綜合的盈利效益然后再往梯次利用上逐步進入。
剛才講到了那么多，但是梯次利用在梯次利用方面的成本控制剛才說了要低成本，這塊的控制主要是在這幾個地方體現(xiàn)。梯次利用主要是分選、重組包括后期運維，這里面可做文章的地方一個是分選包括剛才幾位專家也都提到了電池制造的時候數(shù)據(jù)包括電池前期運行的數(shù)據(jù)這一部分能拿到多少，實際上對梯次利用的影響是很大的。如果說有一個很好的數(shù)據(jù)挖掘的話對于后期的梯次利用分選上需要的成本相當于變相降低了，而且分選的時候包括效率問題，現(xiàn)在的分選實際上新電池可以做到完全自動化因為標準和廠商都是統(tǒng)一的。現(xiàn)在的人力成本這么高，所以說這塊的效率控制實際上對于后期的分選控制也是一個問題。另外就是精度，這個地方需要大家綜合的考量，因為很多時候并不是精度越高越好，剛才說了梯次利用本身所應用的場合比如說小型儲能應用場地很穩(wěn)定，工況環(huán)境也非常良好，所以說它對于電池的篩選要求并不是特別高，這個時候我們在前期做梯次利用分選的時候是否有必要把精度做到那么高像新電池那樣這是值得商榷的，還有就是重組的話因為電池來源是多樣的所以最好在重組方面盡可能考慮柔性設置，根據(jù)我們現(xiàn)在實際的工程經(jīng)驗來看你取到的電池完全是一個批次，它所來源是各種各樣的，這個時候進行柔性設計的話在重組的時候會節(jié)約很大的工作量。包括連接方式。這一點因為國外的一些汽車廠商在電池生產(chǎn)的時候連接方式實際上是跟他們工業(yè)加工精度有關，他們的接口情況比國內(nèi)的有些廠商要做的好，國內(nèi)有些廠商連接方式因為各種原因所以說做的不是特別好，為了怕連接不良過度焊接這種情況是比較嚴重的，所以說這個都會對后期的重組造成效率上的降低。在這兩塊實際上基本上就占到了整個成本控制的80%，還有一塊是20%這個東西就是故障率，我剛才做的那個圖片里面有兩個衰減突變的問題，因為我們現(xiàn)在梯次利用的實際情況來看電池廠商生產(chǎn)電池的差異性是比較大的，比較好的電池基本上3-4年中間也不需要怎么更換，但是有的電池可能一年就需要對某個模塊反復進行更換，這個時候在更換電池增加的維護成本、人力成本包括對于大型儲能實際上因為連接到主網(wǎng)上之后斷電不是隨便能斷的可能還要申請，所以說這個造成運維費用也是非常高的，如果說BMS包括后期設計這塊對于風險預防和故障隔離都做好了的話，這塊的運營成本也是一個很大的問題?？紤]到剛才以上的經(jīng)濟成本實際上現(xiàn)在梯次利用的成本是高于1000塊錢的，但是這個趨勢不是不能降低。如果我們共同努力的話實際上是能降低的。根據(jù)我們預估從現(xiàn)在的電價補貼包括各個方面來算當梯次利用成本控制到500左右的時候就可以實現(xiàn)初步的盈利，但是如果想讓梯次利用產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展我們是要照著200人左右來走的。理想情況實際上指的是另外一個問題，國家環(huán)保政策也在發(fā)生不斷的變化，也許將來對于處置責任倒置會要求你處置倒交錢，那種情況下可能會產(chǎn)生理想情況?，F(xiàn)在梯次利用循環(huán)壽命整體上來說因為電池的品相各種情況也不是特別良好，現(xiàn)在基本上是在800-1200個循環(huán)左右就需要進行更換，所以說這也變相的增加了成本中的運維成本，但是隨著這一兩年整個電池行業(yè)的快速發(fā)展生產(chǎn)制造技術水平提高包括模組設計的提高現(xiàn)在我們預估了一下，到2020年循環(huán)壽命應該能達到2500次，這個情況就是比較理想的，按照現(xiàn)在80%的退役剩余的循環(huán)壽命大概還應該在3000-3500左右，所以說這樣基本上就能充分利用實現(xiàn)他的經(jīng)濟效益。剛才談到產(chǎn)業(yè)化若干問題的思考，下面介紹一下我們實驗室的工作情況。
各方面應該說也做了不少的工作，已經(jīng)申請發(fā)明專利13項授權11項包括新型專利，包括發(fā)表了一些論文論著以及申請了軟件著作權，包括一些地方的和能源局的信息也都對我們的工作進行了報道給予了很大的支持。對于梯次利用產(chǎn)業(yè)上來說因為從儲能方面來說它的規(guī)模是不斷增長的，而且是整體性的趨勢，而且國家五部委尤其是環(huán)保部這些年對于環(huán)境污染問題的重視都很高?，F(xiàn)在鋰電池還沒有明確列到里面，但是從現(xiàn)在的整體發(fā)展形式來看早晚要列進去，這時候規(guī)范性管理所以說梯次利用包括梯次利用后續(xù)回收都是有很多的內(nèi)容工作值得我們?nèi)プ龅?，而且這里面的利益增長點應該來說也不少。我們中間也想象過對于梯次利用回收整體思路，就是說希望生產(chǎn)后能經(jīng)過梯次利用之后再進入Pack回收到材料之后，這種材料不許多完全還原到化學結構原始狀態(tài)，就近進行處理之后再轉變成做繼續(xù)生產(chǎn)電池形成一個材料到電池本身的循環(huán)，當然這現(xiàn)在是一個想法，當然中間做的過程中還存在很多問題，但是也是整個梯次利用過程中全產(chǎn)業(yè)鏈角度考慮也是一個重要的組成部分。這里面包括設備開發(fā)、拆解工藝研制以及這些材料實際上都是有很多東西可做的。謝謝大家。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
