摘 要： 動(dòng)力電池梯次利用不僅可以有效降低電動(dòng)汽車用戶和電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的成本，還可幫助緩解大量動(dòng)力電池退役所帶來的電池回收和環(huán)境污染壓力。雖然國內(nèi)部分企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)已開始嘗試退役動(dòng)力電池梯次利用，但對其利用潛力規(guī)模及經(jīng)濟(jì)性的分析仍然非常有限。本文在參考國外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)電動(dòng)汽車市場環(huán)境及車型特點(diǎn)，評估了未來電動(dòng)汽車退役電池在電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能應(yīng)用潛力并分析了應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性。研究發(fā)現(xiàn)在可預(yù)見的電動(dòng)汽車銷量增速下，未來退役動(dòng)力電池應(yīng)用于電力系統(tǒng)儲(chǔ)能具有巨大潛力，且隨著電池模組標(biāo)準(zhǔn)化及電芯故障率降低逐漸顯現(xiàn)其成本優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞： 退役電池；電動(dòng)汽車；電池梯次利用；儲(chǔ)能
隨著我國新能源汽車推廣規(guī)模的不斷擴(kuò)大，退役動(dòng)力電池的梯次利用已被提上議事日程?！峨妱?dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用技術(shù)政策》提出廢舊動(dòng)力蓄電池的利用應(yīng)遵循先梯級利用后再生利用的原則，提高資源利用率。電動(dòng)汽車對車載動(dòng)力電池的容量、比能量等性能參數(shù)有較高要求，當(dāng)動(dòng)力電池性能難以滿足車用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須對電池進(jìn)行更換。從電動(dòng)汽車上退役的動(dòng)力電池通常還保有初始容量70%～80%的剩余容量，可應(yīng)用在對能量密度要求不高的固定儲(chǔ)能應(yīng)用場景。對退役動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用將有助于降低電動(dòng)汽車用戶及電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能成本，讓較高的儲(chǔ)能成本能夠在較長的使用壽命中在一次、二次用戶中進(jìn)行分?jǐn)偂?
國外研究機(jī)構(gòu)較早就對電動(dòng)汽車退役電池的梯次利用成本進(jìn)行了評估。例如美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ANL）研究量化評估了退役鎳氫電池的儲(chǔ)能容量衰減規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)在公共事業(yè)公司負(fù)荷管理、工商業(yè)非道路特種車輛、不間斷電源（UPS）等三類典型電池二次利用場景下退役的鎳氫電池往往比鉛酸電池有更好儲(chǔ)能效果；美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室（SNL）的研究分析了退役動(dòng)力電池的再應(yīng)用成本，并構(gòu)建了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析模型，研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池的二次利用并沒有不可逾越的技術(shù)障礙，而決定其實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵要素包括電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化、重組電池模塊的人力成本、電動(dòng)汽車用戶參與電池二次利用的激勵(lì)機(jī)制、電池容量保持率狀態(tài)預(yù)測精度因素。研究發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行支撐、工商業(yè)/居民負(fù)荷跟蹤及通信基站備用是電池二次利用在近期有望實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場景，但即使在上述應(yīng)用場景中，較高周邊系統(tǒng)成本（balance of system, BOS）和大量系統(tǒng)測試仍是需首先解決的問題。美國電力科學(xué)研究院（EPRI）的研究對比了鉛酸、鎳氫、鋰離子及鋰聚合物電池在電力系統(tǒng)、通信基站、UPS電源等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。報(bào)告強(qiáng)調(diào)了理清電池梯次利用技術(shù)流程及成本、解決電池質(zhì)保、電動(dòng)汽車用戶收益以及電池老化機(jī)理分析的重要性。
2008年起，隨著美國加州政府將零排放車輛激勵(lì)重新轉(zhuǎn)向插電式電動(dòng)汽車，退役電池梯次利用更成為業(yè)界研究焦點(diǎn)，包括構(gòu)建電池梯次利用殘值計(jì)算框架、電池二次利用積分對降低電動(dòng)汽車成本的作用、退役鋰電池重組成本計(jì)算、退役電池電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性及市場潛力評估以及退役電池二次利用技術(shù)測試。上述研究論證了電動(dòng)汽車退役電池進(jìn)行儲(chǔ)能二次利用的可行性，但也不同程度反映了電池老化速率、退役電池的市場需求對電池儲(chǔ)能梯次利用經(jīng)濟(jì)性的影響。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）分析認(rèn)為退役電池的回收及運(yùn)輸環(huán)節(jié)所導(dǎo)致的成本可達(dá)100美元/(kW·h)，占電池梯次利用總成本中的比重最大；Navigant Research則認(rèn)為目前車用退役電池在美國和歐洲都被歸類為危險(xiǎn)廢棄物，同時(shí)電池梯次利用還存在較高運(yùn)輸成本、低價(jià)鋰電池市場競爭、電網(wǎng)企業(yè)對可靠性及長壽命的較高要求以及缺少專門針對退役電池的BMS設(shè)計(jì)與集成等挑戰(zhàn)。
近年來我國科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)也正在加速開展動(dòng)力電池梯次利用的研究與示范，具體見表1。例如出租車充電站梯次利用電池儲(chǔ)能示范，退役的電動(dòng)出租車動(dòng)力電池主要用于調(diào)節(jié)變壓器功率輸出，穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓水平及幫助充電站實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行；或?qū)U舊新能源汽車拆解及回收再利用，通過動(dòng)力電池再利用生產(chǎn)線，將動(dòng)力電池應(yīng)用于儲(chǔ)能、供電基站、路燈及供電工具等領(lǐng)域。但相關(guān)研究多側(cè)重于動(dòng)力電池梯次利用的技術(shù)可行性的測試與示范，缺乏對規(guī)模潛力及經(jīng)濟(jì)性的量化分析。
表1 國內(nèi)外退役電池儲(chǔ)能梯次利用典型案例
1 動(dòng)力電池儲(chǔ)能梯次利用規(guī)模潛力
規(guī)模潛力及經(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前退役動(dòng)力電池梯次利用的兩個(gè)主要問題。本文首先從動(dòng)力電池梯次利用的規(guī)模潛力出發(fā)，分析車輛數(shù)量、車型種類、電池種類、車輛運(yùn)行強(qiáng)度等影響退役電池梯次利用潛力的因素。由于各類車型動(dòng)力電池規(guī)格不同，且不同電池技術(shù)的老化速率各異，導(dǎo)致其儲(chǔ)能梯次利用規(guī)模具有一定的不確定性，因此本節(jié)將基于分車型電動(dòng)汽車銷量預(yù)測及電池容量衰減假設(shè)，預(yù)測未來動(dòng)力電池梯次利用的規(guī)模潛力。
1.1 車輛規(guī)模
電動(dòng)汽車數(shù)量規(guī)模是影響梯次利用規(guī)模潛力的首要因素。受政策驅(qū)動(dòng)，近年來電動(dòng)汽車規(guī)模增速顯著。2015年全國新能源汽車銷量33.1萬輛，其中純電動(dòng)汽車24.8萬輛，占比75%。到2015年底，全國新能源車保有量達(dá)58.32萬輛，其中純電動(dòng)汽車33.2萬輛，占比57%。關(guān)于電動(dòng)汽車滲透率的預(yù)測，多篇國內(nèi)外文獻(xiàn)也基于各種分析方法針對電動(dòng)汽車在內(nèi)的新能源汽車保有量進(jìn)行了預(yù)測。通常采用的回歸分析法將產(chǎn)品市場發(fā)展過程分為加速增長期、減速增長期和飽和期三階段S型增長方式。典型回歸模型包括指數(shù)增長曲線法、時(shí)間序列法等。對于電動(dòng)汽車在內(nèi)的新能源汽車，由于缺乏歷史數(shù)據(jù)，通常采用定性與定量相結(jié)合的方式進(jìn)行趨勢 預(yù)測。
本文采用Bass擴(kuò)散模型預(yù)測我國新能源汽車保有量發(fā)展趨勢。美國管理心理學(xué)家弗蘭克·巴斯（FRANK M. BASS）提出的巴斯擴(kuò)散模型（Bass Diffusion Model）及其擴(kuò)展理論，常被用作市場分析工具，對新產(chǎn)品、新技術(shù)需求進(jìn)行預(yù)測。作為諸多市場工具中的一種，巴斯擴(kuò)散模型的主要功能是對新開發(fā)的消費(fèi)者耐用品的市場購買數(shù)量進(jìn)行描述和預(yù)測。Bass模型假設(shè)一項(xiàng)新產(chǎn)品投入市場后，其擴(kuò)散速度受到大眾傳播媒介（如廣告等）和已采用者對未采用者的宣傳等內(nèi)部影響。以我國新能源汽車市場規(guī)模為例[式(1)]。
（1）
式中，n(i)代表t年新增新能源汽車數(shù)量；N(i)代表t年累計(jì)新能源汽車數(shù)量；m代表最大市場潛力；a、b分別代表外部影響（創(chuàng)新）系數(shù)和內(nèi)部影響（模仿）系數(shù)。
根據(jù)我國2001—2010年汽車保有量統(tǒng)計(jì)及2020年新能源汽車發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)擬合公式(1)中的a和b分別為0.01和0.05，某一類車輛動(dòng)力技術(shù)車輛數(shù)保有量取決于歷年該技術(shù)車輛留存率與歷年銷量。
式中，i代表車輛動(dòng)力技術(shù)；v代表車輛運(yùn)行年份；y代表模型運(yùn)算當(dāng)前年份；Stockt,y代表y年t車輛動(dòng)力技術(shù)車輛存量；Salest,y代表y年t車輛動(dòng)力技術(shù)增量；Sharemode,t,y代表y年t車輛動(dòng)力技術(shù)車型銷量比重；Sales development代表y年t車輛動(dòng)力技術(shù)銷量變化系數(shù)；Survival代表車輛留存率；V代表車輛壽命。依此對我國新能源汽車增長趨勢進(jìn)行預(yù)測，得到2030年電動(dòng)乘用車銷量為1734萬輛，大型電動(dòng)客車銷量91萬輛。屆時(shí)，電動(dòng)汽車總保有量達(dá)到1.14億輛，其中電動(dòng)乘用車1.08億輛，占比95%；大型電動(dòng)客車530萬輛，占比5%。
1.2 電池技術(shù)及容量
目前國內(nèi)市場上動(dòng)力乘用車電池容量一般在20～60 kW·h，大型客車電池容量普遍高于200 kW·h。隨著動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步未來電池比能量還將不斷提升。根據(jù)日本新能源產(chǎn)業(yè)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的預(yù)測，到2030年全固態(tài)聚合物電池、鋰硫電池和鋰空氣電池將成為主流的車用動(dòng)力電池技術(shù)，比能量將達(dá)到500 W·h/kg；美國能源部預(yù)測電動(dòng)汽車技術(shù)的動(dòng)力電池比能量應(yīng)達(dá)到800 W·h/kg，以滿足550公里續(xù)航目標(biāo)。在我國，國務(wù)院曾在2012年提出到2020年比能量達(dá)到300 W·h/kg的動(dòng)力電池發(fā)展目標(biāo)；電動(dòng)汽車百人會(huì)則預(yù)測到2020年，動(dòng)力電池比能量達(dá)到350 W·h/kg，2030年達(dá)到500 W·h/kg。
本研究假設(shè)未來動(dòng)力電池質(zhì)量將維持不變，續(xù)航里程的進(jìn)步主要依賴電池比能量的提升，假設(shè)當(dāng)前電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)平均容量為30 kW·h，比能量為150 W·h/kg，則當(dāng)前電池系統(tǒng)質(zhì)量為200 kg。研究綜合上述研究機(jī)構(gòu)預(yù)測結(jié)果，即2030年電池系統(tǒng)比能量達(dá)到500 W·h/kg，則平均每車動(dòng)力電池容量將達(dá)到100 kW·h。采用同樣方法，假設(shè)當(dāng)前電動(dòng)大客車電池平均為200 kW·h/輛，電池比能量為100 W·h/kg?？紤]到電動(dòng)大巴對動(dòng)力電池比能量敏感度相對較低及對安全性要求較高等因素，本文假設(shè)電動(dòng)大巴電池比能量增速相對較慢，即到2030年比能量達(dá)到300 W·h/kg，則保持動(dòng)力電池體積不變情況下，其電池容量為600 kW·h/輛。
1.3 退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能容量
本文將動(dòng)力電池退役的原因歸結(jié)為兩類：車輛達(dá)到使用年限而淘汰導(dǎo)致動(dòng)力電池退役、動(dòng)力電池達(dá)到預(yù)先設(shè)定的老化狀態(tài)而退役。
研究假設(shè)電動(dòng)汽車退役速度與燃油車輛近似，退役速度服從指數(shù)分布：
（3）
式中，VSt代表車輛運(yùn)行t年后仍留存的概率；a代表車輛退役速率因數(shù)，且a<0。
上式中a取值越低，車輛運(yùn)行t年后所留存的車輛數(shù)量越少，即代表車輛退役速度越快。由于大型客車往往具有更高的運(yùn)營強(qiáng)度，本研究分別對電動(dòng)乘用車和大型電動(dòng)客車的a取-0.014和-0.06，從而得到快、慢兩條車輛退役速率曲線，同時(shí)限定乘用車最長服役30年，大型客車最長服役20年。
電池容量衰減速度主要取決于電池技術(shù)種類及運(yùn)營工況等。本研究采用比亞迪e6純電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰電池容量衰減數(shù)據(jù)，計(jì)算得到每年因電池老化而退役的儲(chǔ)能規(guī)模，再與因車輛淘汰而導(dǎo)致的退役電池加和得到每年退役電池的總規(guī)模：
式中，n為車型種類；REVn,i為n車型第i年因車輛退役而退役的電池?cái)?shù)量；BaseCapn,i為n車型第i年退役車輛電池標(biāo)稱容量；Degraden,i為n車型第i年退役車輛電池衰減系數(shù)；REBi為第i年因電池老化而退役電池?cái)?shù)量；BaseCapb,i為b類電池第i年退役電池標(biāo)稱容量；Degradeb,i為b類電池第i年退役電池衰減系數(shù)。
本文假設(shè)電動(dòng)乘用車基年平均每車電池標(biāo)稱容量為30 kW·h，大型電動(dòng)基年平均每車電池標(biāo)稱容量為200 kW·h，并以1.2節(jié)所述電池容量進(jìn)步趨勢發(fā)展[注：各類電池技術(shù)（磷酸鐵鋰、三元材料、鈦酸鋰電池]充放電老化速率不同，進(jìn)而將影響儲(chǔ)能容量估算結(jié)果。由于數(shù)據(jù)方面限制，本文以磷酸鐵鋰為例）當(dāng)電池健康狀態(tài)SOH降低至80%時(shí)從停止車輛應(yīng)用轉(zhuǎn)而固定儲(chǔ)能應(yīng)用，得到每年因電池老化而導(dǎo)致的固定儲(chǔ)能容量。最后結(jié)合車輛退役數(shù)量預(yù)測結(jié)果，計(jì)算得到2030電動(dòng)汽車退役電池規(guī)模。
圖中實(shí)線部分代表車載電池容量，陰影部分代表退役電池儲(chǔ)能容量。雖然動(dòng)力電池容量衰減至標(biāo)稱容量的80%即被淘汰用于固定式儲(chǔ)能，但由于每年因車輛退役和電池老化導(dǎo)致的退役電池增量仍遠(yuǎn)低于每年電動(dòng)汽車銷售量帶來的新增車載電池容量，因此退役電池容量規(guī)模遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車車載電池容量規(guī)模。由于推廣初期階段電動(dòng)汽車存量較小，這種現(xiàn)象尤為明顯。到2030年，退役電池儲(chǔ)能總?cè)萘繛?63 GW·h，占車載電池容量的9.58%。當(dāng)電動(dòng)汽車存量不斷增加，且隨著電動(dòng)汽車銷量增速逐漸趨于飽和，退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能容量相較于車載電池容量的比例將不斷提升，到2050年該比重將提高至15.05%?？梢姡S著電動(dòng)汽車市場的逐漸成熟，退役動(dòng)力電池的規(guī)模將不斷上升，其儲(chǔ)能應(yīng)用潛力不容忽視。
2 動(dòng)力電池梯次利用成本分析
2.1 梯次利用工藝流程
雖然國內(nèi)外已有相當(dāng)多動(dòng)力電池退役后進(jìn)行儲(chǔ)能應(yīng)用的嘗試，但目前電池梯次利用仍面臨眾多挑戰(zhàn)。
首先，由于不同車型的動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)多種多樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電池模組鏈接方式、組裝工藝各不相同，很難通過相同的電池拆解流水線實(shí)現(xiàn)所有電池包的內(nèi)部模組拆解。這意味著電池包拆解需要針對不同電池類型進(jìn)行細(xì)分，其工藝流程也相當(dāng)復(fù)雜，顯著提升了其拆解成本。此外，由于電池模組是高能量載體，拆解不當(dāng)可能導(dǎo)致短路、漏液等安全問題，甚至有起火、爆炸的危險(xiǎn)，因此保證電池拆解過程的安全也是電池梯次利用的必要條件。
拆解后的動(dòng)力電池重新成組前還需對其健康狀態(tài)進(jìn)行評估。若電池退役時(shí)具有完整的充放電運(yùn)行數(shù)據(jù)，則有利于準(zhǔn)確評估其剩余工作壽命，梯次利用的經(jīng)濟(jì)性將顯著提升；而當(dāng)動(dòng)力電池退役時(shí)沒有完整運(yùn)行過程數(shù)據(jù)，則健康狀態(tài)評估僅能從電池標(biāo)稱容量、理論循環(huán)壽命等數(shù)據(jù)入手，結(jié)合當(dāng)前內(nèi)阻、電壓等進(jìn)行測試，這使其測試成本、時(shí)間大幅提升的同時(shí)，也增加了儲(chǔ)能梯次利用的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。
對退役電池健康狀態(tài)進(jìn)行評估之后面臨的便是系統(tǒng)集成問題。當(dāng)前動(dòng)力鋰電池電芯包括聚合物軟包、鋼殼/鋁殼方體、圓柱形等，種類繁多，尺寸不一，且各類電芯標(biāo)稱容量、開路電壓、電阻及電流各異。此外，電芯之間的鏈接工藝也從導(dǎo)線錫焊、錫片錫焊、電阻焊發(fā)展到激光點(diǎn)焊工藝等，電芯的無損拆解難度非常高。綜合上述原因，電池模組層級的拆解是目前更為可行的梯次利用方案。
在進(jìn)行電池模組系統(tǒng)集成之前，還需根據(jù)材料體系、容量、內(nèi)阻、剩余循環(huán)壽命等參數(shù)對不同電池模組進(jìn)行重新分組。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，需要充分考慮不同模組可能具有不同尺寸、重量和串并聯(lián)數(shù)，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)應(yīng)該有更大彈性，從而能夠兼容不同模組；模組連接也要考慮柔性化設(shè)計(jì)，盡量做到即插即換。電池的梯次利用無疑對電池管理系統(tǒng)提出了更高要求，由于退役電池的化學(xué)體系、生產(chǎn)廠家、規(guī)格、批次、健康狀態(tài)復(fù)雜，如何憑借電池管理系統(tǒng)對退役電池進(jìn)行優(yōu)化管理是延長電池梯次利用壽命的關(guān)鍵因素。特別是當(dāng)電芯進(jìn)入生命周期尾聲，電池衰減和老化速度開始呈現(xiàn)離散化趨勢，突出表現(xiàn)為容量和內(nèi)阻差異不斷加大，導(dǎo)致系統(tǒng)在可用容量和放電性能方面表現(xiàn)難以預(yù)測，需要電池管理系統(tǒng)快速識別系統(tǒng)老化趨勢，并通過電力電子和功率變換技術(shù)延緩老化速度，從而延長電池使用壽命。
上述工藝的成本控制也是決定退役電池梯次利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值的核心。如何有效控制拆解、測試、分組、成組、電池管理等各環(huán)節(jié)工藝及物料成本，將系統(tǒng)成本控制在新電池成本的20%～30%，是梯次利用商業(yè)模式成功與否的前提。
2.2 梯次利用成本評估
退役電池梯次利用前需要經(jīng)過退役電池收集、運(yùn)輸、測試、重組等環(huán)節(jié)，上述各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的成本連同購置退役電池的成本構(gòu)成了退役電池梯次利用的總成本，而諸如退役電池模塊容量、比能量、能量密度、電芯容量、電芯故障率等都將直接影響退役電池梯次利用的成本。本文采用NREL的動(dòng)力電池再利用模型（B2U repurposing cost calculator）評估退役電池梯次利用成本[15]。模型假設(shè)電池模組（非電池包或單體電芯）為電池梯次利用的最小單位，且退役電池模組再處理后的產(chǎn)品規(guī)格（規(guī)格尺寸）不變。由于電動(dòng)汽車車型及電池包規(guī)格各異，且再處理后的退役電池儲(chǔ)能應(yīng)用場合多樣，為簡化分析，本研究不考慮上游電池包拆解至電池模組及下游再處理電池模組重組成儲(chǔ)能單元的成本。
電池運(yùn)輸方式及運(yùn)輸距離將影響電池運(yùn)輸成本。由于各類電池的化學(xué)構(gòu)成各不相同，安全性和潛在環(huán)境影響也都是導(dǎo)致運(yùn)輸成本變化的關(guān)鍵因素。為簡化研究，本文采用固定貨運(yùn)方式和線路假設(shè)，評估退役電池收集及運(yùn)輸成本，即假設(shè)退役電池通過貨車運(yùn)送至電池工廠，貨車載運(yùn)能力為3噸/車，單次運(yùn)輸往返距離為50公里。
評估退役電池測試及重組成本需考慮電池模組規(guī)格、電池廠產(chǎn)能等因素。在對收集到的退役電池重組前，需要首先對電池在退役時(shí)點(diǎn)的性能進(jìn)行評估，其中最重要的衡量指標(biāo)即是電池健康程度（SOH），其硬件投入包括電池電量檢測裝置、電氣監(jiān)測裝置及電池模組封裝裝置。各類硬件裝置的配置取決于退役電池模組數(shù)量、電池模組規(guī)格、電量及電氣檢測時(shí)間等。此外電池模組檢測、診斷、測試等環(huán)節(jié)產(chǎn)生電力消費(fèi)，不同的模組檢測工藝的能耗各不相同。
回收退役電池電芯的故障率是另一個(gè)影響退役電池再處理成本的關(guān)鍵因素。由于目前市場上幾乎沒有退役電池故障率數(shù)據(jù)的權(quán)威統(tǒng)計(jì)，本研究采用NREL的故障率估計(jì)，即0.01%～1%，則電池模組的實(shí)際產(chǎn)量為
結(jié)合效益及成本分析結(jié)果，退役電池梯次利用經(jīng)濟(jì)性可通過對比電池再處理成本和預(yù)測的市場售價(jià)進(jìn)行評估。本研究以國內(nèi)市場某款電動(dòng)車型作為案例，分析退役電池梯次利用成本效益。該車型電池包總?cè)萘繛?2 kW·h，單體電芯270 A·h，電池模組由2～10只單體電芯串聯(lián)而成，假設(shè)平均模組電芯個(gè)數(shù)為6個(gè)，則電池模組容量約為5.3 kW·h；假設(shè)新生產(chǎn)電池售價(jià)為1500元/(kW·h)，則梯次利用的退役電池市場售價(jià)約為465元/(kW·h)。
假設(shè)電池工廠處理退役電池的年產(chǎn)能為 1 GW·h/年，退役電池電芯故障率為0.1%，折現(xiàn)率為10%，采用NREL動(dòng)力電池梯次利用經(jīng)濟(jì)性評估模型評估退役電池再處理成本，得到電池模組梯次利用單位成本為196元/(kW·h)，其與退役電池市場售價(jià)之差即為購買退役電池價(jià)格上限，即當(dāng)電池廠收購?fù)艘垭姵貎r(jià)格低于269元/(kW·h)時(shí)，退役電池再處理經(jīng)濟(jì)性為正。其梯次利用成本構(gòu)成如圖4所示，可見電池購置成本同時(shí)是項(xiàng)目投資及年度運(yùn)維的主要組成部分，即不論是在投資還是運(yùn)維環(huán)節(jié)，退役電池的購置成本都占據(jù)主要份額，其它關(guān)鍵影響因素包括電芯故障率、電池測試設(shè)備成本、人工價(jià)格及電池儲(chǔ)運(yùn)成本等。
圖1 電動(dòng)汽車銷量預(yù)測
圖2 2015—2030年電動(dòng)汽車車載電池及退役電池儲(chǔ)能容量
圖3 退役電池再處理流程
圖4 退役電池梯次利用成本結(jié)構(gòu)
（注：投資成本包括初始月電池購置成本）
由上述模型分析可知影響動(dòng)力電池梯次利用成本的主要因素包括電池模組容量、電池廠年產(chǎn)量、退役電芯損壞率。圖5對比了三種電池廠年產(chǎn)能下（0.1 GW·h/年、0.2 GW·h/年、1 GW·h/年）不同模組容量電池的梯次利用成本，發(fā)現(xiàn)其隨模組容量先降后升，即當(dāng)模組容量較小時(shí)，相對較高的模組容量可降低單位人工成本；相反，當(dāng)模組容量較大時(shí)，電芯損壞所導(dǎo)致的模組廢棄成本更高，而模組容量平衡點(diǎn)大約在7 kW·h左右，該容量下單位千瓦時(shí)梯次利用成本最低為204元/(kW·h)左右（1 GW·h年產(chǎn)量）。同時(shí)圖5也顯示提升產(chǎn)量對降低單位千瓦時(shí)
圖5 三種電池廠年產(chǎn)量下不同模組容量電池梯次利用成本
退役電池梯次利用成本效果有限，1 GW·h年產(chǎn)量下相比0.1 GW·h單位千瓦時(shí)梯次利用成本僅降低不足10%，一定程度反映了在給定技術(shù)條件下，梯次利用成本很大程度上由人工成本決定，其與批量化生產(chǎn)程度的相關(guān)性較低。
圖6對比了3種電芯損壞率下（0.01%、0.1%、1%）不同模組容量退役電池的梯次利用成本變化情況。研究發(fā)現(xiàn)電芯損壞率對成本下降有較為明顯的影響，當(dāng)損壞率低至0.01%后，單位千瓦時(shí)電池梯次利用成本為157元/(kW·h)，比損壞率1%的情況低50%。此外我們也發(fā)現(xiàn)不同電芯損壞率下最低梯次利用成本所對應(yīng)的模組容量也各不相同，例如0.01%損壞率對應(yīng)的最優(yōu)模組容量為16 kW·h，而1%損壞率對應(yīng)3 kW·h。
圖6 三種電芯損壞率下不同模組容量電池梯次利用成本
3 結(jié) 論
本文在對我國電動(dòng)汽車銷量增速預(yù)測的基礎(chǔ)上評估了電動(dòng)汽車退役電池應(yīng)用于電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的規(guī)模潛力。研究發(fā)現(xiàn)隨著電動(dòng)汽車滲透率的不斷提升，退役電池的儲(chǔ)能應(yīng)用潛力將穩(wěn)定在車載電池儲(chǔ)能容量的15%左右，其儲(chǔ)能應(yīng)用潛力不容忽視。本文采用NREL的動(dòng)力電池再利用模型評估退役電池梯次利用成本，研究發(fā)現(xiàn)模組容量和電芯故障率是決定經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，對于不同故障率的電芯，應(yīng)選取合理的模組容量以最大程度降低退役電池梯次利用的成本。
需要說明的是，本文對退役動(dòng)力電池的經(jīng)濟(jì)性研究仍然存在很多不足，比如對電池在車內(nèi)和應(yīng)用于固定儲(chǔ)能階段的老化速率進(jìn)行了簡單假設(shè)，然而決定電池老化速率的因素包括電池技術(shù)種類、日歷壽命、運(yùn)行溫度、放電深度、放電倍率等，且各種因素對不同種類動(dòng)力電池技術(shù)容量衰減的影響也不盡相同。特別是隨著后續(xù)固態(tài)電池技術(shù)成熟，壽命衰減速度和電池包成本的變化都會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，對于電池梯次利用的成本分析，文章假設(shè)了較為完善的產(chǎn)業(yè)體系，且退役動(dòng)力電池包的車體拆解成本并未在本研究中體現(xiàn)，該方面研究還有待國內(nèi)相關(guān)示范項(xiàng)目進(jìn)一步數(shù)據(jù)積累后予以完善。
第一作者及聯(lián)系人：劉堅(jiān)（1983—），男，博士，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車及儲(chǔ)能，E-mail：liujianbox@hotmail.com。
引用本文：劉 堅(jiān). 電動(dòng)汽車退役電池儲(chǔ)能應(yīng)用潛力及成本分析[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2017, 6(2): 243-249.
LIU Jian. Second use potential of retired EV batteries in power system and associated cost analysis[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(2): 243-249.
