中國儲能網(wǎng)訊：2018年10月26日，在北京西國貿(mào)大酒店的2018中國分布式儲能峰會上，在上午“主旨報告”環(huán)節(jié)，上海電力大學教授、廖強強博士為我們帶來“梯次利用電池在分布式儲能系統(tǒng)中的研究與應用”報告。
以下為發(fā)言實錄：
各位嘉賓，上午好！我叫廖強強，來自上海電力大學。我今天報告的題目是“梯次利用電池在分布式儲能系統(tǒng)的研究與應用”，我們課題組主要開展電池性能的狀態(tài)評估、儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應用、規(guī)劃以及經(jīng)濟性等方面的工作。
我將主要從以下四方面進行匯報：第一，梯次利用的意義；第二，國內(nèi)外梯次利用實踐的情況；第三，我們在儲能方面以前的研究研究工作基礎；第四，梯次利用的問題探討。大家都說梯次利用很好、成本很低，利用過程中其實有很多問題的。
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)運行方式的復雜性，儲能系統(tǒng)作為能量的蓄水池，是微電網(wǎng)運行可靠安全的一個保障，上面的這幾個圖，分別代表幾種典型的電化學儲能的一些案例，比如說第一個是鈉硫電池、第二個是反液流電池、第三個是鋰離子電池、第四個是鉛炭電池，現(xiàn)在這些儲能案例都是有很多的。下面兩張圖是我們上海電力大學微電網(wǎng)的一些場景，我們有兩個校區(qū)，一個是楊璞校區(qū)，一個是林崗校區(qū)，林崗校區(qū)也是剛剛搬到林崗區(qū)的，正在建設的過程。
剛才很多專家也提到了，在各種儲能技術(shù)當中，電化學儲能是發(fā)展最快的，而且成本降的也是最快的。但是電化學儲能現(xiàn)在推廣的，就是大家一直在說，投上去以后積極性好不好，其實主要的障礙是什么呢，就是成本的問題，比如鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本仍然要達到3元/瓦時的樣子。
鋰離子電池在我們國家非常大的應用場景就是電動汽車上，電動汽車剛剛劉博士也提到了，電動汽車的保有量已經(jīng)超過了200多萬輛了，我當時的數(shù)據(jù)已經(jīng)是上半年的數(shù)據(jù)，接近200萬輛的樣子，這200萬進入到市場以后，3—5年或者5—8年，總要從電動汽車上退役下來，所以我們國家動力電池的退役大潮即將來臨，經(jīng)預測，到2020年，我國動力電池退役電池將到12萬—17萬噸。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力蓄電池回收利用工作的通知》，這里面關(guān)鍵的基礎，我們在退役電池的梯次利用主要關(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能的成本，促進我國的節(jié)能減排和循環(huán)利用等產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，往高里說就是提高生態(tài)文明的建設水平。
第二節(jié)，國內(nèi)外梯次利用的實踐。梯次利用最感興趣的就是各個新能源汽車廠商，因為他們推出了新能源汽車以后，像我們國家當時提出了電動汽車的電池退役以后兩個責任主體，一個就是新能源汽車廠商，還有一個就是電池提供商，所以各個新能源汽車廠商其實對于梯次利用也都非常感興趣。
第一個案例是通用汽車，通用汽車最早推出的是沃蘭特的增程車，他是16千瓦時的電池系統(tǒng)，他當時沃蘭特有很多樣車，里面電池退役了，當時跟ABB做了一個案例，將無組型或者放在車上的蓄電池重新整合成25千瓦/50千瓦時的模塊化裝置，可以放在美國的比如house里面或者社區(qū)儲能里面，可以支持3—5個美國家庭的2小時電源供應，比如家里屋頂有光伏的話，可以跟光伏配合起來使用。
日本尼桑他最早推出的電動汽車品牌是Life，他的這款電動汽車的電池系統(tǒng)是24度電，后來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)電池容量越來越高，達到40千瓦/60千瓦時的樣子。2014年，將16輛日產(chǎn)聆風的的退役動力電池和光伏配合使用，平滑光伏的輸出功率。
各種電動汽車里面日產(chǎn)尼桑的市場占有率還是非常高的，2018年的數(shù)據(jù)，市面上Life電動汽車儲量達到30萬輛的規(guī)模，所以他也非常關(guān)注退役電池怎么來利用好，他也做了一些案例，比如通過實驗室測試來分析各個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)容量來說，如果退役電池衰減不是很厲害，達到90%以上的話，可以在電動汽車使用，如果80%左右用在低速電動汽車上，因為他是汽車廠商，所以關(guān)注的還是汽車上怎么用好，當衰減更多的時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格，也是比較有吸引力的。
寶馬也做過不少案例，有做的比較小的家庭的梯次利用的，也是做了相當于大型儲能的案例。寶馬i3，最早i3上的電池系統(tǒng)是22度電的，后來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上將22度電提升到33組電，也可以看出來電池技術(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，整個電池包加上逆變器把協(xié)議打通，其實就可以作為儲能系統(tǒng)來使用，這樣子改造的成本也相對會比較低一點，這是一種情況。
他也有做成比較大的儲能電站，這個是跟光伏配套來使用的這樣一個案例，他整個電池儲存里面就儲存了很多的電池包。這個案例里也是，整個電池包不拆解就進行使用，跟風力發(fā)電來配合使用。
另外是他做的最大的一個退役的儲能的案例，是100多輛寶馬上的2600個退役電池模組，建立了2.8兆瓦時的退役電池的儲能電站，這個儲能是調(diào)頻進行使用的，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定。
凱美瑞做的電動汽車大家可能聽到的也不是很多的，他做的是插電式的，原來一款車叫凱美瑞混合動力車，這個混合動力車里頭的電池其實是一個啟動電源，容量非常小，只有1度電，就是把208個凱美瑞的電池組也做成一個儲能系統(tǒng)，一個85度的儲能系統(tǒng)，用在美國黃石公園的太陽能發(fā)電站里面，跟光伏來配合使用。這個案例里邊最大的借鑒意義是什么呢，這個放電深度比較淺，放電深度我計算了一下在50%左右，也提出來了對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。
我們國家在梯次利用方面其實有很多案例，每個省也都有自己的電力構(gòu)思在主導的，還有一些新能源汽車廠商或者電池廠商在主導的梯次利用的案例，這個是去年的一個案例，這個案例系統(tǒng)頁比較大，1.1兆瓦時。這個案例我覺得可以借鑒的是什么，每個儲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，就沒有這個事情了，我覺得這是一個比較好的方式。另外一個，他又在一個工業(yè)園區(qū)里面的削峰填谷、需量電費的管理，使用策略一個是淺充淺放，另外放電倍率比較低，0.2C。計算了一下，他整個儲能系統(tǒng)成本大約在1塊錢/瓦時的樣子，相對來講還是比較低的。
說到各個汽車廠商梯次利用的一些案例，不得不提到一個特斯拉，特斯拉其實我們?nèi)タ匆恍﹫蟮?，好像沒有關(guān)于特斯拉在梯次利用方面的一些案例報道，我分析可能以下幾個原因：第一個，現(xiàn)在用的電池是21700，已知的在電池里面能源密度最高的，達到300瓦時/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，可以達到，有的報道是5安時，我看到一個報告5.75安時，總規(guī)5安時以上，相對這個容量還是比較小的，在特斯拉的電池系統(tǒng)里面有7千到8千個電池串并聯(lián)起來才組成他的比如100度電、80度電的電池系統(tǒng)、動力電源系統(tǒng)。這個豆粒電池在他的壽命達到終止的時候，你想七八千個電池，它的不一致性就非常顯著，這是一個原因。第二個原因，他本身的新電池的成本就做的很低了，也是看到的報道，21700的電池系統(tǒng)售價在170美元/千瓦時，也是合到1元/瓦時的樣子，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值沒有什么意思。第三個，他使用的是三元電池，正極材料是鎳鈷鋁。
第三個，宣傳一下電力學院在電池方面的工作。有一些研究平臺，科委的省部級的平臺，一個是上海電力轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心，是跟上海公司聯(lián)合申請的，還有一個是上海市電力材料與材料重點實驗室，我們一幫老師在這兩個平臺上進行工作的。
這是我們實驗室的一些情況，我們這里頭有一些充放電機或者電池檢測設備，還有微網(wǎng)系統(tǒng)、電化學工作站，可以測電池的內(nèi)阻等等情況做一些分析，另外材料的設備也是有的。
在前期的儲能研究過程中我們也做了一些工作，比如說制定了上海市地方標準，這個標準是智能電網(wǎng)用儲能電池性能測試技術(shù)規(guī)范，也獲得了一些獎項。
這是申請的一些專利，藍顏色的就是在申請、在實施的過程中，紅顏色的是已經(jīng)授權(quán)的，前三個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。承擔了一些項目，這里非常感謝科學院新能源研究所的項目，另外還有其他的一些項目，三個都是2018年的項目。
第四個，梯次利用中的問題探討。我從以下幾個方面來說：
第一，退役電池的容量衰減問題。我們做過幾個案例，我們也統(tǒng)計了電池衰減的情況，這個案例是榮威E50上的電池，我們從電池模組的角度進行衰減，這是20個3P3S的退役電池模組，單芯容量20安時，模組容量60安時，我們對模組的容量因為衰減的不一致，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20個模組來分類，SOH在90%以上的13個，在80%—90%的有5個，80—70%的有1個，70—60%的有1個，換句話說，這20個模組里邊其實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，另外大部分來講，衰減的并不厲害。因此從模組的角度來進行梯次利用，其價值更有可挖掘的潛力。
另外我們做的另一個案例，奇瑞電動汽車的電池，是圓柱形的26650的天津比克的，整個模組的容量是40安時，我們也對24個模組進行容量測試，來看它的衰減情況，分為3組，SOH在90%的有14個，90%—80%的有8個，80%—70%的有2個，低于70%的沒有。從這里我們也看得出來，其實從電池系統(tǒng)角度容量衰減80%或者70%，其實大部分里面的模組衰減的并不厲害，只是有某一個或者某幾個模組或者某一個或者某幾個模組中的某些擔心，性能衰減的比較快，所以脫離了整個系統(tǒng)的容量下來了，這個就是大家常說的木桶效應。但是我們從這些數(shù)據(jù)里可以得到一個啟示，如果整個電池包退役下來了以后，我梯次利用怎么利用呢？我如果從模組的角度進行梯次利用的話，是不是有更多的剩余價值可以挖掘。
第二，退役電池的循環(huán)壽命問題。這個也是以奇瑞這個模組做的循環(huán)，這個時間也很長的，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個額定功率放，削峰填谷的模式下進行梯次利用的話1800次，大約5年的樣子。所以對于舊電池來講，低倍率的充放電制度下，梯次利用的使用壽命還是可以達到5年左右的，這是壽命的問題。
第三，能量轉(zhuǎn)換效率的問題。我們也做成一個儲能系統(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，但是也還可以。
第四，這是電池功率的事情。這個功率能不能放得出來，比較大的功率情況下持續(xù)時間是什么樣的情況，我們做過一串的、兩串并起來的，一個模組、兩個模組串起來的、四個模組串起來的情況，我們發(fā)現(xiàn)放電持續(xù)時間接近理論的放電時間。
第五，一致性快速分解。這方面我們做了一些工作，由于擔心退役電池的性能，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規(guī)律，退役電池的容量跟鋰離子擴散系數(shù)呈顯著正相關(guān)，就是那張圖，鋰離子擴散系數(shù)大的容量高，容量高的鋰離子擴散系數(shù)大。我們從模組的角度進行快速拆解做了一些工作，這張圖應該是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進行分析，我們發(fā)現(xiàn)可以得到更好的規(guī)律，通過一定的計算，計算出一個參數(shù)叫Lorenz的離散度，Lorenz發(fā)現(xiàn)這個離散度在不同的SOC范圍里面，Lorenz這個參數(shù)跟SOH之間呈線性負相關(guān)。我們也把它做成一個軟件，我們希望通過這樣一個軟件來快速進行率選，我們現(xiàn)在正在跟奇瑞方面洽談合作的事宜。
第六，剛才講的這幾個案例里面我小結(jié)一下。
1，動力電池系統(tǒng)的容量可能低于80%以下，這是退役電池退役的標準。但是其中很多模組的容量仍然具有不低于80%的容量，這個就提示我們?nèi)绻荽卫?，它的剩余價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行梯次利用，對單芯容量較小退役電池從模組角度來講可能更好，可以挖掘出最大的剩余價值。
3，對退役電池怎么用，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行使用，它的梯次利用壽命可以比較長，可以達到5年的樣子。
4，梯次利用一致性好的退役電池撤下來以后，仍然表現(xiàn)出比較好的功率特性，前提是一致性較好的進行串聯(lián)。退役電池成組的退役轉(zhuǎn)換效率比較高。
5，對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，一個工作肯定要做，就是說一致性的快速衰減。這也是工信部通知里面提出的要求。
我的匯報就到這里。謝謝大家！
