中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2018年10月26日，在北京西國(guó)貿(mào)大酒店的2018中國(guó)分布式儲(chǔ)能峰會(huì)上，在上午“主旨報(bào)告”環(huán)節(jié)，上海電力大學(xué)教授、廖強(qiáng)強(qiáng)博士為我們帶來(lái)“梯次利用電池在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用”報(bào)告。
以下為發(fā)言實(shí)錄：
各位嘉賓，上午好！我叫廖強(qiáng)強(qiáng)，來(lái)自上海電力大學(xué)。我今天報(bào)告的題目是“梯次利用電池在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”，我們課題組主要開展電池性能的狀態(tài)評(píng)估、儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用、規(guī)劃以及經(jīng)濟(jì)性等方面的工作。
我將主要從以下四方面進(jìn)行匯報(bào)：第一，梯次利用的意義；第二，國(guó)內(nèi)外梯次利用實(shí)踐的情況；第三，我們?cè)趦?chǔ)能方面以前的研究研究工作基礎(chǔ)；第四，梯次利用的問(wèn)題探討。大家都說(shuō)梯次利用很好、成本很低，利用過(guò)程中其實(shí)有很多問(wèn)題的。
梯次利用的意義，剛才前面很多專家也都提到了微電網(wǎng)、儲(chǔ)能、新能源的發(fā)展等等，由于分布式電源的多樣性，以及微電網(wǎng)運(yùn)行方式的復(fù)雜性，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為能量的蓄水池，是微電網(wǎng)運(yùn)行可靠安全的一個(gè)保障，上面的這幾個(gè)圖，分別代表幾種典型的電化學(xué)儲(chǔ)能的一些案例，比如說(shuō)第一個(gè)是鈉硫電池、第二個(gè)是反液流電池、第三個(gè)是鋰離子電池、第四個(gè)是鉛炭電池，現(xiàn)在這些儲(chǔ)能案例都是有很多的。下面兩張圖是我們上海電力大學(xué)微電網(wǎng)的一些場(chǎng)景，我們有兩個(gè)校區(qū)，一個(gè)是楊璞校區(qū)，一個(gè)是林崗校區(qū)，林崗校區(qū)也是剛剛搬到林崗區(qū)的，正在建設(shè)的過(guò)程。
剛才很多專家也提到了，在各種儲(chǔ)能技術(shù)當(dāng)中，電化學(xué)儲(chǔ)能是發(fā)展最快的，而且成本降的也是最快的。但是電化學(xué)儲(chǔ)能現(xiàn)在推廣的，就是大家一直在說(shuō)，投上去以后積極性好不好，其實(shí)主要的障礙是什么呢，就是成本的問(wèn)題，比如鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本仍然要達(dá)到3元/瓦時(shí)的樣子。
鋰離子電池在我們國(guó)家非常大的應(yīng)用場(chǎng)景就是電動(dòng)汽車上，電動(dòng)汽車剛剛劉博士也提到了，電動(dòng)汽車的保有量已經(jīng)超過(guò)了200多萬(wàn)輛了，我當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)已經(jīng)是上半年的數(shù)據(jù)，接近200萬(wàn)輛的樣子，這200萬(wàn)進(jìn)入到市場(chǎng)以后，3—5年或者5—8年，總要從電動(dòng)汽車上退役下來(lái)，所以我們國(guó)家動(dòng)力電池的退役大潮即將來(lái)臨，經(jīng)預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)動(dòng)力電池退役電池將到12萬(wàn)—17萬(wàn)噸。我們政府方面做了很多工作，比如工信部下發(fā)了《關(guān)于做好新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用工作的通知》，這里面關(guān)鍵的基礎(chǔ)，我們?cè)谕艘垭姵氐奶荽卫弥饕P(guān)注在快速分享方面。
第一節(jié)，梯次利用意義非常重大，其中主要的是可以降低儲(chǔ)能的成本，促進(jìn)我國(guó)的節(jié)能減排和循環(huán)利用等產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，往高里說(shuō)就是提高生態(tài)文明的建設(shè)水平。
第二節(jié)，國(guó)內(nèi)外梯次利用的實(shí)踐。梯次利用最感興趣的就是各個(gè)新能源汽車廠商，因?yàn)樗麄兺瞥隽诵履茉雌囈院?，像我們?guó)家當(dāng)時(shí)提出了電動(dòng)汽車的電池退役以后兩個(gè)責(zé)任主體，一個(gè)就是新能源汽車廠商，還有一個(gè)就是電池提供商，所以各個(gè)新能源汽車廠商其實(shí)對(duì)于梯次利用也都非常感興趣。
第一個(gè)案例是通用汽車，通用汽車最早推出的是沃蘭特的增程車，他是16千瓦時(shí)的電池系統(tǒng)，他當(dāng)時(shí)沃蘭特有很多樣車，里面電池退役了，當(dāng)時(shí)跟ABB做了一個(gè)案例，將無(wú)組型或者放在車上的蓄電池重新整合成25千瓦/50千瓦時(shí)的模塊化裝置，可以放在美國(guó)的比如house里面或者社區(qū)儲(chǔ)能里面，可以支持3—5個(gè)美國(guó)家庭的2小時(shí)電源供應(yīng)，比如家里屋頂有光伏的話，可以跟光伏配合起來(lái)使用。
日本尼桑他最早推出的電動(dòng)汽車品牌是Life，他的這款電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)是24度電，后來(lái)由于電池性能的提高、能量密度的提高、成本的下降，他系統(tǒng)電池容量越來(lái)越高，達(dá)到40千瓦/60千瓦時(shí)的樣子。2014年，將16輛日產(chǎn)聆風(fēng)的的退役動(dòng)力電池和光伏配合使用，平滑光伏的輸出功率。
各種電動(dòng)汽車?yán)锩嫒债a(chǎn)尼桑的市場(chǎng)占有率還是非常高的，2018年的數(shù)據(jù)，市面上Life電動(dòng)汽車儲(chǔ)量達(dá)到30萬(wàn)輛的規(guī)模，所以他也非常關(guān)注退役電池怎么來(lái)利用好，他也做了一些案例，比如通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來(lái)分析各個(gè)退役電池的一致性的工作。
日本退役電池叫再生電池，根據(jù)容量來(lái)說(shuō)，如果退役電池衰減不是很厲害，達(dá)到90%以上的話，可以在電動(dòng)汽車使用，如果80%左右用在低速電動(dòng)汽車上，因?yàn)樗瞧噺S商，所以關(guān)注的還是汽車上怎么用好，當(dāng)衰減更多的時(shí)候可以作為備用電池系統(tǒng)。退役電池最大的好處就是成本比較低，是新電池一半左右的價(jià)格，也是比較有吸引力的。
寶馬也做過(guò)不少案例，有做的比較小的家庭的梯次利用的，也是做了相當(dāng)于大型儲(chǔ)能的案例。寶馬i3，最早i3上的電池系統(tǒng)是22度電的，后來(lái)由于電池性能的提高、能量密度的提高，就是在原有的電池框架的基礎(chǔ)上將22度電提升到33組電，也可以看出來(lái)電池技術(shù)發(fā)展是比較迅猛的，能量密度提高一半。他將新電池，如果整個(gè)電池包衰減的一致性比較好，大家都均勻的衰減到70%或者80%的情況下，整個(gè)電池包加上逆變器把協(xié)議打通，其實(shí)就可以作為儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)使用，這樣子改造的成本也相對(duì)會(huì)比較低一點(diǎn)，這是一種情況。
他也有做成比較大的儲(chǔ)能電站，這個(gè)是跟光伏配套來(lái)使用的這樣一個(gè)案例，他整個(gè)電池儲(chǔ)存里面就儲(chǔ)存了很多的電池包。這個(gè)案例里也是，整個(gè)電池包不拆解就進(jìn)行使用，跟風(fēng)力發(fā)電來(lái)配合使用。
另外是他做的最大的一個(gè)退役的儲(chǔ)能的案例，是100多輛寶馬上的2600個(gè)退役電池模組，建立了2.8兆瓦時(shí)的退役電池的儲(chǔ)能電站，這個(gè)儲(chǔ)能是調(diào)頻進(jìn)行使用的，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定。
凱美瑞做的電動(dòng)汽車大家可能聽到的也不是很多的，他做的是插電式的，原來(lái)一款車叫凱美瑞混合動(dòng)力車，這個(gè)混合動(dòng)力車?yán)镱^的電池其實(shí)是一個(gè)啟動(dòng)電源，容量非常小，只有1度電，就是把208個(gè)凱美瑞的電池組也做成一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，一個(gè)85度的儲(chǔ)能系統(tǒng)，用在美國(guó)黃石公園的太陽(yáng)能發(fā)電站里面，跟光伏來(lái)配合使用。這個(gè)案例里邊最大的借鑒意義是什么呢，這個(gè)放電深度比較淺，放電深度我計(jì)算了一下在50%左右，也提出來(lái)了對(duì)于梯次利用舊電池使用的策略不能深度充放電，要淺充放電的模式。
我們國(guó)家在梯次利用方面其實(shí)有很多案例，每個(gè)省也都有自己的電力構(gòu)思在主導(dǎo)的，還有一些新能源汽車廠商或者電池廠商在主導(dǎo)的梯次利用的案例，這個(gè)是去年的一個(gè)案例，這個(gè)案例系統(tǒng)頁(yè)比較大，1.1兆瓦時(shí)。這個(gè)案例我覺(jué)得可以借鑒的是什么，每個(gè)儲(chǔ)能單元采用組串式的并聯(lián)，這樣的好處就是電池基本單元的一致性就可以忽略掉了，就沒(méi)有這個(gè)事情了，我覺(jué)得這是一個(gè)比較好的方式。另外一個(gè)，他又在一個(gè)工業(yè)園區(qū)里面的削峰填谷、需量電費(fèi)的管理，使用策略一個(gè)是淺充淺放，另外放電倍率比較低，0.2C。計(jì)算了一下，他整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本大約在1塊錢/瓦時(shí)的樣子，相對(duì)來(lái)講還是比較低的。
說(shuō)到各個(gè)汽車廠商梯次利用的一些案例，不得不提到一個(gè)特斯拉，特斯拉其實(shí)我們?nèi)タ匆恍﹫?bào)道，好像沒(méi)有關(guān)于特斯拉在梯次利用方面的一些案例報(bào)道，我分析可能以下幾個(gè)原因：第一個(gè)，現(xiàn)在用的電池是21700，已知的在電池里面能源密度最高的，達(dá)到300瓦時(shí)/千克的樣子，雖然是圓柱形的21700，它的容量比一般的圓柱形的容量還是高很多，可以達(dá)到，有的報(bào)道是5安時(shí)，我看到一個(gè)報(bào)告5.75安時(shí)，總規(guī)5安時(shí)以上，相對(duì)這個(gè)容量還是比較小的，在特斯拉的電池系統(tǒng)里面有7千到8千個(gè)電池串并聯(lián)起來(lái)才組成他的比如100度電、80度電的電池系統(tǒng)、動(dòng)力電源系統(tǒng)。這個(gè)豆粒電池在他的壽命達(dá)到終止的時(shí)候，你想七八千個(gè)電池，它的不一致性就非常顯著，這是一個(gè)原因。第二個(gè)原因，他本身的新電池的成本就做的很低了，也是看到的報(bào)道，21700的電池系統(tǒng)售價(jià)在170美元/千瓦時(shí)，也是合到1元/瓦時(shí)的樣子，他新電池就做到了我們舊電池的成本了，在梯次利用上挖掘他的價(jià)值沒(méi)有什么意思。第三個(gè)，他使用的是三元電池，正極材料是鎳鈷鋁。
第三個(gè)，宣傳一下電力學(xué)院在電池方面的工作。有一些研究平臺(tái)，科委的省部級(jí)的平臺(tái)，一個(gè)是上海電力轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心，是跟上海公司聯(lián)合申請(qǐng)的，還有一個(gè)是上海市電力材料與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，我們一幫老師在這兩個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行工作的。
這是我們實(shí)驗(yàn)室的一些情況，我們這里頭有一些充放電機(jī)或者電池檢測(cè)設(shè)備，還有微網(wǎng)系統(tǒng)、電化學(xué)工作站，可以測(cè)電池的內(nèi)阻等等情況做一些分析，另外材料的設(shè)備也是有的。
在前期的儲(chǔ)能研究過(guò)程中我們也做了一些工作，比如說(shuō)制定了上海市地方標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是智能電網(wǎng)用儲(chǔ)能電池性能測(cè)試技術(shù)規(guī)范，也獲得了一些獎(jiǎng)項(xiàng)。
這是申請(qǐng)的一些專利，藍(lán)顏色的就是在申請(qǐng)、在實(shí)施的過(guò)程中，紅顏色的是已經(jīng)授權(quán)的，前三個(gè)專利都是在梯次利用做的一些工作。這是授權(quán)專利證書的情況。也發(fā)了一些文章，現(xiàn)在主要的工作就是在梯次利用上。承擔(dān)了一些項(xiàng)目，這里非常感謝科學(xué)院新能源研究所的項(xiàng)目，另外還有其他的一些項(xiàng)目，三個(gè)都是2018年的項(xiàng)目。
第四個(gè)，梯次利用中的問(wèn)題探討。我從以下幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)：
第一，退役電池的容量衰減問(wèn)題。我們做過(guò)幾個(gè)案例，我們也統(tǒng)計(jì)了電池衰減的情況，這個(gè)案例是榮威E50上的電池，我們從電池模組的角度進(jìn)行衰減，這是20個(gè)3P3S的退役電池模組，單芯容量20安時(shí)，模組容量60安時(shí)，我們對(duì)模組的容量因?yàn)樗p的不一致，有些衰減的快、有些衰減的慢，我們看到底容量是多少。我們對(duì)20個(gè)模組來(lái)分類，SOH在90%以上的13個(gè)，在80%—90%的有5個(gè)，80—70%的有1個(gè)，70—60%的有1個(gè)，換句話說(shuō)，這20個(gè)模組里邊其實(shí)大部分衰減的不厲害，只有少部分衰減到80%、70%、60%以下，而且數(shù)量也很少。從模組的角度來(lái)看，電池的衰減情況是參差不齊的，有些衰減的厲害、有些衰減的不厲害，另外大部分來(lái)講，衰減的并不厲害。因此從模組的角度來(lái)進(jìn)行梯次利用，其價(jià)值更有可挖掘的潛力。
另外我們做的另一個(gè)案例，奇瑞電動(dòng)汽車的電池，是圓柱形的26650的天津比克的，整個(gè)模組的容量是40安時(shí)，我們也對(duì)24個(gè)模組進(jìn)行容量測(cè)試，來(lái)看它的衰減情況，分為3組，SOH在90%的有14個(gè)，90%—80%的有8個(gè)，80%—70%的有2個(gè)，低于70%的沒(méi)有。從這里我們也看得出來(lái)，其實(shí)從電池系統(tǒng)角度容量衰減80%或者70%，其實(shí)大部分里面的模組衰減的并不厲害，只是有某一個(gè)或者某幾個(gè)模組或者某一個(gè)或者某幾個(gè)模組中的某些擔(dān)心，性能衰減的比較快，所以脫離了整個(gè)系統(tǒng)的容量下來(lái)了，這個(gè)就是大家常說(shuō)的木桶效應(yīng)。但是我們從這些數(shù)據(jù)里可以得到一個(gè)啟示，如果整個(gè)電池包退役下來(lái)了以后，我梯次利用怎么利用呢？我如果從模組的角度進(jìn)行梯次利用的話，是不是有更多的剩余價(jià)值可以挖掘。
第二，退役電池的循環(huán)壽命問(wèn)題。這個(gè)也是以奇瑞這個(gè)模組做的循環(huán)，這個(gè)時(shí)間也很長(zhǎng)的，我們做了2C充/2C放、1C充/1C放，還有削峰填谷模式，就是1/3額定功率沖/1個(gè)額定功率放，削峰填谷的模式下進(jìn)行梯次利用的話1800次，大約5年的樣子。所以對(duì)于舊電池來(lái)講，低倍率的充放電制度下，梯次利用的使用壽命還是可以達(dá)到5年左右的，這是壽命的問(wèn)題。
第三，能量轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。我們也做成一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，我們跟光伏配合使用，能量轉(zhuǎn)換效率在88%左右，比新電池90%幾稍微低一點(diǎn)，但是也還可以。
第四，這是電池功率的事情。這個(gè)功率能不能放得出來(lái)，比較大的功率情況下持續(xù)時(shí)間是什么樣的情況，我們做過(guò)一串的、兩串并起來(lái)的，一個(gè)模組、兩個(gè)模組串起來(lái)的、四個(gè)模組串起來(lái)的情況，我們發(fā)現(xiàn)放電持續(xù)時(shí)間接近理論的放電時(shí)間。
第五，一致性快速分解。這方面我們做了一些工作，由于擔(dān)心退役電池的性能，從單芯的角度做一些分析，像身體健康檢查一樣的，各方面檢查，分析到電阻的情況得到這么一個(gè)規(guī)律，退役電池的容量跟鋰離子擴(kuò)散系數(shù)呈顯著正相關(guān)，就是那張圖，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)大的容量高，容量高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)大。我們從模組的角度進(jìn)行快速拆解做了一些工作，這張圖應(yīng)該是5%、10%、3%，發(fā)現(xiàn)低SOC下退役電池模組的最大開路電壓差跟電池容量呈線性負(fù)相關(guān)。剛才是開路電壓的情況，我們也從工作電壓的角度來(lái)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)可以得到更好的規(guī)律，通過(guò)一定的計(jì)算，計(jì)算出一個(gè)參數(shù)叫Lorenz的離散度，Lorenz發(fā)現(xiàn)這個(gè)離散度在不同的SOC范圍里面，Lorenz這個(gè)參數(shù)跟SOH之間呈線性負(fù)相關(guān)。我們也把它做成一個(gè)軟件，我們希望通過(guò)這樣一個(gè)軟件來(lái)快速進(jìn)行率選，我們現(xiàn)在正在跟奇瑞方面洽談合作的事宜。
第六，剛才講的這幾個(gè)案例里面我小結(jié)一下。
1，動(dòng)力電池系統(tǒng)的容量可能低于80%以下，這是退役電池退役的標(biāo)準(zhǔn)。但是其中很多模組的容量仍然具有不低于80%的容量，這個(gè)就提示我們?nèi)绻荽卫?，它的剩余價(jià)值最大挖掘我們從模組角度利用可能更好。
2，單芯容量量較大的退役電池可考慮從單芯角度進(jìn)行梯次利用，對(duì)單芯容量較小退役電池從模組角度來(lái)講可能更好，可以挖掘出最大的剩余價(jià)值。
3，對(duì)退役電池怎么用，在低倍率的充放電，就是淺充淺放的狀態(tài)下，倍率比較低的情況下進(jìn)行使用，它的梯次利用壽命可以比較長(zhǎng)，可以達(dá)到5年的樣子。
4，梯次利用一致性好的退役電池撤下來(lái)以后，仍然表現(xiàn)出比較好的功率特性，前提是一致性較好的進(jìn)行串聯(lián)。退役電池成組的退役轉(zhuǎn)換效率比較高。
5，對(duì)與退役電池一致性變差以后，我們要從低成本角度考慮梯次利用的話，一個(gè)工作肯定要做，就是說(shuō)一致性的快速衰減。這也是工信部通知里面提出的要求。
我的匯報(bào)就到這里。謝謝大家！
