動(dòng)力電池梯次利用不僅可以有效降低電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)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(lái)的電池回收和環(huán)境污染壓力。雖然國(guó)內(nèi)部分企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)已開(kāi)始嘗試退役動(dòng)力電池梯次利用，但對(duì)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(guó)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)環(huán)境及車(chē)型特點(diǎn)，評(píng)估了未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)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(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量增速下，未來(lái)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(shì)。
關(guān)鍵詞 ：退役電池；電動(dòng)汽車(chē)；電池梯次利用；儲(chǔ)能
隨著我國(guó)新能源汽車(chē)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(chē)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(jí)利用后再生利用的原則，提高資源利用率。電動(dòng)汽車(chē)對(duì)車(chē)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(mǎn)足車(chē)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須對(duì)電池進(jìn)行更換。從電動(dòng)汽車(chē)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(duì)能量密度要求不高的固定儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)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(chē)用戶(hù)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(zhǎng)的使用壽命中在一次、二次用戶(hù)中進(jìn)行分?jǐn)偂?
國(guó)外研究機(jī)構(gòu)較早就對(duì)電動(dòng)汽車(chē)退役電池的梯次利用成本進(jìn)行了評(píng)估。例如美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）研究量化評(píng)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(chē)輛、不間斷電源（UPS）等三類(lèi)典型電池二次利用場(chǎng)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(guó)Sandia國(guó)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(méi)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(chē)用戶(hù)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(cè)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(chǎng)景，但即使在上述應(yīng)用場(chǎng)景中，較高周邊系統(tǒng)成本（balance of system, BOS）和大量系統(tǒng)測(cè)試仍是需首先解決的問(wèn)題。
美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）的研究對(duì)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(chē)用戶(hù)收益以及電池老化機(jī)理分析的重要性。
2008年起，隨著美國(guó)加州政府將零排放車(chē)輛激勵(lì)重新轉(zhuǎn)向插電式電動(dòng)汽車(chē)，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(duì)降低電動(dòng)汽車(chē)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(chǎng)潛力評(píng)估以及退役電池二次利用技術(shù)測(cè)試。上述研究論證了電動(dòng)汽車(chē)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(chǎng)需求對(duì)電池儲(chǔ)能梯次利用經(jīng)濟(jì)性的影響。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)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(chē)用退役電池在美國(guó)和歐洲都被歸類(lèi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、電網(wǎng)企業(yè)對(duì)可靠性及長(zhǎng)壽命的較高要求以及缺少專(zhuān)門(mén)針對(duì)退役電池的BMS設(shè)計(jì)與集成等挑戰(zhàn)。
近年來(lái)我國(guó)科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)也正在加速開(kāi)展動(dòng)力電池梯次利用的研究與示范，具體見(jiàn)表1。例如出租車(chē)充電站梯次利用電池儲(chǔ)能示范，退役的電動(dòng)出租車(chē)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(chē)拆解及回收再利用，通過(guò)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(cè)試與示范，缺乏對(duì)規(guī)模潛力及經(jīng)濟(jì)性的量化分析。
表1 國(guó)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(wèn)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(chē)輛數(shù)量、車(chē)型種類(lèi)、電池種類(lèi)、車(chē)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(lèi)車(chē)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(chē)型電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量預(yù)測(cè)及電池容量衰減假設(shè)，預(yù)測(cè)未來(lái)動(dòng)力電池梯次利用的規(guī)模潛力。
1.1 車(chē)輛規(guī)模
電動(dòng)汽車(chē)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(lái)電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模增速顯著。2015年全國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量33.1萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車(chē)24.8萬(wàn)輛，占比75%。到2015年底，全國(guó)新能源車(chē)保有量達(dá)58.32萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車(chē)33.2萬(wàn)輛，占比57%。關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)滲透率的預(yù)測(cè)，多篇國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)也基于各種分析方法針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的新能源汽車(chē)保有量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通常采用的回歸分析法將產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程分為加速增長(zhǎng)期、減速增長(zhǎng)期和飽和期三階段S型增長(zhǎng)方式。典型回歸模型包括指數(shù)增長(zhǎng)曲線法、時(shí)間序列法等。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的新能源汽車(chē)，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(shì) 預(yù)測(cè)。
本文采用Bass擴(kuò)散模型預(yù)測(cè)我國(guó)新能源汽車(chē)保有量發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)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(chǎng)分析工具，對(duì)新產(chǎn)品、新技術(shù)需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。作為諸多市場(chǎng)工具中的一種，巴斯擴(kuò)散模型的主要功能是對(duì)新開(kāi)發(fā)的消費(fèi)者耐用品的市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)數(shù)量進(jìn)行描述和預(yù)測(cè)。Bass模型假設(shè)一項(xiàng)新產(chǎn)品投入市場(chǎng)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(duì)未采用者的宣傳等內(nèi)部影響。以我國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模為例[式(1)]。
（1）
式中，n(i)代表t年新增新能源汽車(chē)數(shù)量；N(i)代表t年累計(jì)新能源汽車(chē)數(shù)量；m代表最大市場(chǎng)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(guó)2001—2010年汽車(chē)保有量統(tǒng)計(jì)及2020年新能源汽車(chē)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(lèi)車(chē)輛動(dòng)力技術(shù)車(chē)輛數(shù)保有量取決于歷年該技術(shù)車(chē)輛留存率與歷年銷(xiāo)量。
式中，i代表車(chē)輛動(dòng)力技術(shù)；v代表車(chē)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(chē)輛動(dòng)力技術(shù)車(chē)輛存量；Salest,y代表y年t車(chē)輛動(dòng)力技術(shù)增量；Sharemode,t,y代表y年t車(chē)輛動(dòng)力技術(shù)車(chē)型銷(xiāo)量比重；Sales development代表y年t車(chē)輛動(dòng)力技術(shù)銷(xiāo)量變化系數(shù)；Survival代表車(chē)輛留存率；V代表車(chē)輛壽命。依此對(duì)我國(guó)新能源汽車(chē)增長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到2030年電動(dòng)乘用車(chē)銷(xiāo)量為1734萬(wàn)輛，大型電動(dòng)客車(chē)銷(xiāo)量91萬(wàn)輛。屆時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)總保有量達(dá)到1.14億輛，其中電動(dòng)乘用車(chē)1.08億輛，占比95%；大型電動(dòng)客車(chē)530萬(wàn)輛，占比5%。
圖1 電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量預(yù)測(cè)
1.2 電池技術(shù)及容量
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上動(dòng)力乘用車(chē)電池容量一般在20～60 kW·h，大型客車(chē)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(lái)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(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的預(yù)測(cè)，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(chē)用動(dòng)力電池技術(shù)，比能量將達(dá)到500 W·h/kg；美國(guó)能源部預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的動(dòng)力電池比能量應(yīng)達(dá)到800 W·h/kg，以滿(mǎn)足550公里續(xù)航目標(biāo)。在我國(guó)，國(guó)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(chē)百人會(huì)則預(yù)測(cè)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(lái)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(lài)電池比能量的提升，假設(shè)當(dāng)前電動(dòng)乘用車(chē)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(cè)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(chē)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(chē)電池平均為200 kW·h/輛，電池比能量為100 W·h/kg。考慮到電動(dòng)大巴對(duì)動(dòng)力電池比能量敏感度相對(duì)較低及對(duì)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(duì)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(lèi)：車(chē)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(chē)退役速度與燃油車(chē)輛近似，退役速度服從指數(shù)分布：
（3）
式中，VSt代表車(chē)輛運(yùn)行t年后仍留存的概率；a代表車(chē)輛退役速率因數(shù)，且a<0。
上式中a取值越低，車(chē)輛運(yùn)行t年后所留存的車(chē)輛數(shù)量越少，即代表車(chē)輛退役速度越快。由于大型客車(chē)往往具有更高的運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度，本研究分別對(duì)電動(dòng)乘用車(chē)和大型電動(dòng)客車(chē)的a取-0.014和-0.06，從而得到快、慢兩條車(chē)輛退役速率曲線，同時(shí)限定乘用車(chē)最長(zhǎng)服役30年，大型客車(chē)最長(zhǎng)服役20年。
電池容量衰減速度主要取決于電池技術(shù)種類(lèi)及運(yùn)營(yíng)工況等。本研究采用比亞迪e6純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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：
（4）
式中，n為車(chē)型種類(lèi)；REVn,i為n車(chē)型第i年因車(chē)輛退役而退役的電池?cái)?shù)量；BaseCapn,i為n車(chē)型第i年退役車(chē)輛電池標(biāo)稱(chēng)容量；Degraden,i為n車(chē)型第i年退役車(chē)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(lèi)電池第i年退役電池標(biāo)稱(chēng)容量；Degradeb,i為b類(lèi)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(chē)基年平均每車(chē)電池標(biāo)稱(chēng)容量為30 kW·h，大型電動(dòng)基年平均每車(chē)電池標(biāo)稱(chēng)容量為200 kW·h，并以1.2節(jié)所述電池容量進(jìn)步趨勢(shì)發(fā)展[注：各類(lèi)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(chē)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(chē)輛退役數(shù)量預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算得到2030電動(dòng)汽車(chē)退役電池規(guī)模。
圖2 2015—2030年電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池及退役電池儲(chǔ)能容量
圖中實(shí)線部分代表車(chē)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(chēng)容量的80%即被淘汰用于固定式儲(chǔ)能，但由于每年因車(chē)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(chē)銷(xiāo)售量帶來(lái)的新增車(chē)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(chē)車(chē)載電池容量規(guī)模。由于推廣初期階段電動(dòng)汽車(chē)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(chē)載電池容量的9.58%。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)存量不斷增加，且隨著電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)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(chē)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?jiàn)，隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)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(guó)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(chē)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(guò)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(duì)不同電池類(lèi)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(wèn)題，甚至有起火、爆炸的危險(xiǎn)，因此保證電池拆解過(guò)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(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(píng)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(méi)有完整運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)，則健康狀態(tài)評(píng)估僅能從電池標(biāo)稱(chēng)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(cè)試，這使其測(cè)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(duì)退役電池健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估之后面臨的便是系統(tǒng)集成問(wèn)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(lèi)繁多，尺寸不一，且各類(lèi)電芯標(biāo)稱(chēng)容量、開(kāi)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(wú)損拆解難度非常高。綜合上述原因，電池模組層級(jí)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(duì)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(wú)疑對(duì)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(duì)退役電池進(jìn)行優(yōu)化管理是延長(zhǎng)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(kāi)始呈現(xiàn)離散化趨勢(shì)，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(cè)，需要電池管理系統(tǒng)快速識(shí)別系統(tǒng)老化趨勢(shì)，并通過(guò)電力電子和功率變換技術(shù)延緩老化速度，從而延長(zhǎng)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(cè)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(píng)估
退役電池梯次利用前需要經(jīng)過(guò)退役電池收集、運(yùn)輸、測(cè)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(gòu)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(píng)估退役電池梯次利用成本。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(chē)車(chē)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(chǎng)合多樣，為簡(jiǎn)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。
圖3 退役電池再處理流程
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(lèi)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(jiǎn)化研究，本文采用固定貨運(yùn)方式和線路假設(shè)，評(píng)估退役電池收集及運(yùn)輸成本，即假設(shè)退役電池通過(guò)貨車(chē)運(yùn)送至電池工廠，貨車(chē)載運(yùn)能力為3噸/車(chē)，單次運(yùn)輸往返距離為50公里。
評(píng)估退役電池測(cè)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(duì)收集到的退役電池重組前，需要首先對(duì)電池在退役時(shí)點(diǎn)的性能進(jìn)行評(píng)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(cè)裝置、電氣監(jiān)測(cè)裝置及電池模組封裝裝置。各類(lèi)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(cè)時(shí)間等。此外電池模組檢測(cè)、診斷、測(cè)試等環(huán)節(jié)產(chǎn)生電力消費(fèi)，不同的模組檢測(cè)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(chǎng)上幾乎沒(méi)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
（5）
式中，F(xiàn)Rcell為電芯故障率，%；Module Size為模組容量，W·h；Cell Size為電芯容量，W·h；退役動(dòng)力電池經(jīng)過(guò)再處理后的市場(chǎng)售價(jià)可通過(guò)式(6)預(yù)測(cè)：
（6）
式中，Psecond為再處理電池市場(chǎng)售價(jià)；Pnew為新電池市場(chǎng)售價(jià)；TOsecond為再處理電池生命周期放電量；TOnew為新電池生命周期放電量；DR為再處理電池折價(jià)系數(shù)。
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(guò)對(duì)比電池再處理成本和預(yù)測(cè)的市場(chǎng)售價(jià)進(jìn)行評(píng)估。本研究以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)某款電動(dòng)車(chē)型作為案例，分析退役電池梯次利用成本效益。該車(chē)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(chǎng)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(píng)估模型評(píng)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(chǎng)售價(jià)之差即為購(gòu)買(mǎi)退役電池價(jià)格上限，即當(dāng)電池廠收購(gòu)?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(jiàn)電池購(gòu)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(gòu)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(cè)試設(shè)備成本、人工價(jià)格及電池儲(chǔ)運(yùn)成本等。
圖4 退役電池梯次利用成本結(jié)構(gòu)
注： （注：投資成本包括初始月電池購(gòu)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(duì)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(duì)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(duì)降低單位千瓦時(shí)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
圖6對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的模組容量也各不相同，例如0.01%損壞率對(duì)應(yīng)的最優(yōu)模組容量為16 kW·h，而1%損壞率對(duì)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(duì)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量增速預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上評(píng)估了電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(píng)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(duì)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(shuō)明的是，本文對(duì)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(duì)電池在車(chē)內(nèi)和應(yīng)用于固定儲(chǔ)能階段的老化速率進(jìn)行了簡(jiǎn)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(lèi)、日歷壽命、運(yùn)行溫度、放電深度、放電倍率等，且各種因素對(duì)不同種類(lèi)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(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，對(duì)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(chē)體拆解成本并未在本研究中體現(xiàn)，該方面研究還有待國(guó)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。
作者簡(jiǎn)介：劉堅(jiān)（1983—），男，博士，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)及儲(chǔ)能，E-mail：liujianbox@hotmail.com。
引用本文：劉 堅(jiān). 電動(dòng)汽車(chē)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#br#[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(2): 243-249.
