動力電池梯次利用：市場前景廣闊機遇與挑戰共存

2017-09-26 21:21:24 中關村儲能產業聯盟　點擊量：評論 (0)

動力電池回收再利用是動力電池產業鏈形成閉環的關鍵環節，在環境保護、資源回收和提高動力電池全壽命周期價值等方面都具有重要價值。其中動力電池回收再利用又包括了梯次利用和資源回收兩個環節。通常當新能源汽

動力電池回收再利用是動力電池產業鏈形成閉環的關鍵環節，在環境保護、資源回收和提高動力電池全壽命周期價值等方面都具有重要價值。其中動力電池回收再利用又包括了梯次利用和資源回收兩個環節。通常當新能源汽車動力電池剩余容量降低到初始容量的70%-80%時便無法滿足車載使用要求。退役動力電池經過測試、篩選、重組等環節，仍然有能力用于低速電動車、備用電源、電力儲能等運行工況相對良好、對電池性能要求較低的領域。隨著新能源汽車推廣應用的力度不斷加大，動力電池梯次利用的概念應運而生并受到廣泛關注。

我國新能源汽車產業從2013年開始進入大規模推廣應用階段。結合2013-2016年我國新能源汽車產量統計數據和國家規劃的2020年新能源汽車產銷200萬輛的發展目標，考慮到新能源汽車企業目前對動力電池的質保服務大多在5-8年，到2019年我國新能源汽車動力電池將會進入大規模退役階段。根據CNESA研究部的預測，2025年，我國年度新增的梯次利用潛在規模將會達到33.6GWh，可以說梯次利用擁有巨大的潛在規模和市場空間。

擁有巨大潛在市場需求的儲能領域也成為梯次利用未來最重要的應用場景之一。根據CNESA全球儲能項目數據庫對于全球儲能項目的持續收集，僅就儲能領域而言，目前在大規模可再生能源并網、輔助服務、電力輸配、用戶側等儲能應用領域都已經有梯次利用示范項目正在運行，涉及千瓦級的戶用儲能產品，十千瓦至百千瓦級的光儲微網、電動汽車充電站儲能系統、數據中心備用電源，以及兆瓦級大型儲能電站。

與梯次利用巨大市場潛力和各界密切關注形成鮮明對比的是，現階段各方對于梯次利用市場前景仍然存在諸多爭議。動力電池梯次利用在電池性能、集成管控能力、商業模式、經濟性、安全性、市場認可度等方面仍然面臨著很多困難，并且尚無法找到一致有效的答案。未來還需要依托技術研發、項目探索和多方協作共同推動梯次利用市場的發展。

結合業界對于梯次利用產業發展的密切關注和爭議熱點，2017年9月6日，由中關村儲能產業技術聯盟（CNESA）和中科院物理所聯合主辦了“動力電池梯次利用及回收”公益主題沙龍。本期沙龍匯集了與動力電池回收再利用息息相關的產業鏈各環節參與方，包括了國網電動汽車公司、北汽新能源、蔚來汽車等新能源汽車生產和運營企業，比亞迪、國軒高科、中航鋰電、猛獅科技等動力電池制造企業，東莞鉅威、杭州高特、海博思創等BMS和PACK企業，上海煦達、陽光普創、友信科技、南京濤博等梯次利用儲能系統集成商，以及來自中國電科院、北京低碳研究所等電力系統科研機構，北方車輛研究所等電池檢測機構，中科院過程所、北京理工大學等電池回收技術研究機構的專家，共同就梯次利用的市場前景、技術難題、經濟性、商業模式、項目案例等進行交流探討。

本文CNESA研究部將圍繞本次沙龍期間重點探討的問題，對各方觀點進行梳理，希望為推動梯次利用產業發展和相關企業布局梯次利用業務提供參考。

1、電池一致性成為困擾梯次利用項目運行的主要技術問題，需要以動力電池全壽命周期研究為支撐

從2014年起，我國開始布局開展動力電池梯次利用示范研究項目。2015年，中國電科院啟動了兆瓦時級梯次利用電池儲能技術的研究，研發了1.2MWh梯次利用儲能試驗系統，并于2016年在國家風光儲示范電站投入試運行，這是我國第一個兆瓦時級梯次利用電池儲能系統。根據梯次利用儲能示范項目的實際運行數據，電池一致性問題成為項目運行中面臨的最大挑戰。對此中國電科院專家來小康也表示，即使使用經過千挑萬選的退役電池構建梯次利用儲能系統，仍然無法避免在儲能系統運行過程中電池的一致性再次發生離散。

電池一致性已經成為困擾梯次利用項目順利運行的關鍵。動力電池的一致性是相對的，不一致性是絕對的。電池出廠時，它的一致性是由生產線保證的，這是它先天的特質。在使用過程中出現的不一致現象則是由車主駕駛習慣、充電方法、溫度場均勻性、自放電差異等多重因素共同造成，這是車企和電池企業無法控制的。由此也造成了電動汽車在退役時電池容量分布極不均勻，呈現出從初始容量的80%到50%的巨大跨度。電池的不一致性將大幅度增加后期的運行維護成本。同時，為了彌補電池不一致性帶來的缺陷，必然增加設計冗余量，這又增加了項目初投資。

動力電池在容量、內阻、電壓等方面表現出來的不一致問題，與電池自身的充放電反應機理密切相關。若要真正破解一致性問題，還需要在動力電池性能衰減機理和電池健康狀態評價等方面開展大量研究工作。參與本次CNESA公益主題沙龍的動力電池和BMS企業也都在積極布局和開展相關工作，具體包括研究動力電池在不同衰減壽命區間的電性能衰減趨勢，構建合理的電池健康狀態評價指標，研究退役動力電池的性能狀態分布，構建模塊化能量管理系統對不同性能的電池進行分級管理，建立電池全壽命周期的監測和管理數據庫等等。作為國內最大的電動汽車服務生態圈建設運營企業，國網電動汽車有限公司總經理江冰表示，公司在運用現代網絡和信息技術構建智慧車聯網平臺的同時，將會對動力電池實時運行數據實施全方位監控，為開展梯次利用提供有效的歷史數據支撐。相信隨著新電池性能不斷提升、對電池衰減機理認識的不斷深刻和電池車載歷史運行數據的有效掌握，待其進入梯次利用環節后，一致性問題也將不斷得到改善。

2、以PACK方式開展動力電池梯次利用獲得業界普遍認可

新能源汽車車載電池包（PACK）首先由鋰離子電池（電芯）經過多級串并聯構成蓄電池模組，再在電池管理系統的統一監控調度下，配合熱管理設備、高低壓電路、機械總成等附件系統，共同構成車載能量存儲裝置，為車輛行駛提供動力。不同車型的設計差異較大，因此不同新能源汽車的電池包系統在外部形狀、內部構成、系統配置等方面存在較大差異。

考慮到電芯、模組、電池包等動力電池系統多級結構，在開展梯次利用時，通常會面臨以何種級別的電池進行重組的問題，這也直接影響到梯次利用的技術難度和相關成本。對此，本次CNESA公益主題沙龍的參會代表也表達了各自不同的觀點。

觀點一：應當基于不同車型采取不同的梯次利用重組策略。乘用車電池包系統設計對空間利用率要求高，不同車型電池包形狀差異較大，電池包級別的直接梯次利用難度稍大，而實現電池模塊或單體級別的梯次利用則比較容易。大巴車電池箱標準化程度高，在保證一致性的前提下，可實現多箱電池包級別的梯次利用，有利于低成本梯次利用。

觀點二：電池包拆解工作量大，會引入新的安全風險，應當整包形式進行梯次利用。在本次CNESA公益主題沙龍中，北汽新能源、比亞迪等新能源汽車企業，杭州高特、東莞鉅威等BMS和PACK企業，陽光普創、友信科技等儲能系統集成商都對直接使用退役動力電池包進行梯次利用表達了支持態度。對此，各方的觀點主要集中在以下幾個方面：首先，電池包拆解工作量大、成本高，與之相比，換掉其中的短板電池后繼續以電池包方式進行梯次利用是更為經濟的方案；其次，不同電池包的使用環境和控制策略差異極大，拆解后重新配租的難度非常大；再次，電池從車上退下來不拆，在車上它的安全性是得到驗證的，拆解以后對電池的安全性也帶來了新的問題；最后，拆解過程會導致大量物理廢棄，而重組又會引發新的物料成本。東莞鉅威基于實際測試項目的運行經驗表示，隨機選取12套電池包，整個電池不開包，經過簡單循環、均衡和篩選之后，整個電池組內電池參數的差異會變得相對較小，經過100多個循環后，系統總容量還基本維持在這個水平。

關于整包形式梯次利用，有企業提出了自己的構想：如果能夠開發一套比較通用的儲能系統架構，未來只需要把不同狀態的電池系統關聯進去并建立相應的通信系統。在內部本身有一套完整系統的基礎上，即使電池包多次更換，仍然可以確保系統長期穩定運行。

3、各方積極布局梯次利用項目，運行控制策略和系統集成方式成為優化運行效果的關鍵

本次CNESA公益主題沙龍匯集了來自梯次利用產業鏈各環節的20余家企業和研究機構，其中有近半數單位已經開展了梯次利用示范項目，主要應用于用戶側儲能、通訊基站備用電源等領域。結合項目經驗，參會企業普遍提出，為確保梯次利用系統有效運行，并且盡可能弱化電池一致性和壽命問題，需要對梯次利用的運行控制策略和系統集成方式進行恰當設計。

在運行控制策略方面，梯次利用儲能系統的充放電倍率應當控制在0.2C以內，充放電深度應當控制在70%范圍內。為此，應用場景也將被嚴格限制，對于用戶側并網系統的削峰填谷，充放電時間應當確保達到6-8小時。

在系統集成方式方面，小功率、多分支結構成為梯次利用系統的優選集成方案。上海煦達提出以一輛車上的電池作為一個電池簇并為之配備一個20kWPCS。為避免并聯電池之間充放電影響系統效率，電池簇之間采用彼此串聯的策略構建儲能系統，一個集裝箱儲能系統使用9輛車的動力電池系統。友信科技則提出，將車載電池系統做成低壓模組，避免大規模串并聯；電池模塊在交流側實現串聯，由此確保不同電池類型、不同批次、不同性能狀態的電池系統可以在同一個系統中協同運行，每個模組充入電量和放出電量完全受控。此種電路結構，可以在不改變電流總體方向的情況下，控制每個電池模塊的電流方向、選擇流入流出電池，也可以選擇電流不經過電池，以此確保電池衰減不再是瞬間崩塌，而是一個逐漸衰減的過程。

4、足夠低的動力電池回購成本成為確保梯次利用經濟性的關鍵

梯次利用電池系統與新電池系統成本之差是梯次利用能否實現經濟性的關鍵。新電池性能快速提升和成本快速下降無疑成為影響梯次利用市場發展的最大競爭因素。在新生產的動力電池系統已經降低到1.3-1.5元/Wh的情況下，以何種價格回購退役動力電池就成為影響梯次利用經濟性的關鍵因素。

在本次CNESA公益主題沙龍期間，東莞鉅威、上海煦達等已開展梯次利用商業示范項目的企業也給出了明確的答案，即若要確保梯次利用實現經濟效益，電池的回購價格應當低于新電池成本的30%。對此，企業的觀點主要集中在以下幾個方面：首先，退役動力電池的容量是要打折的，使用時的充放電倍率也要受到限制，再將重組過程中發生的測試篩選和輔助材料成本包括在內，如若電池回購成本不能足夠低，梯次利用的經濟性將無法得到保證。其次，回收的動力電池的價格不可能過高，因為動力電池在投放市場時已拿到了高額補貼，再加上車子運行數年，電池的成本已經在退役前得到回收，因此退役動力電池沒有理由定價過高。上海煦達更是根據實踐經驗表示，在回收電池價格為新電池1/3的情況下，能夠將梯次利用的儲能電站的總成本降低到1.29元/Wh，整個項目是具備經濟性的。

5、動力電池資產所有權形式成為影響梯次利用商業模式和回收責任的關鍵

2016年起，我國開始針對電動汽車蓄電池回收利用發布專項政策和相關技術標準。《電動汽車動力蓄電池回收利用技術政策（2015年版）》明確提出，新能源汽車實施生產者責任延伸制度，電動汽車生產企業應承擔電動汽車廢舊動力蓄電池回收利用的主要責任，動力蓄電池生產企業應承擔電動汽車生產企業售后服務體系之外的廢舊動力蓄電池回收利用的主要責任，梯級利用電池生產企業應承擔梯級利用電池回收利用的主要責任，報廢汽車回收拆解企業應負責回收報廢汽車上的動力蓄電池。

新能源汽車生產運營企業、動力電池制造企業、BMS和PACK企業、儲能系統集成商、電池回收企業由于在梯次利用產業鏈中所處位置和動力電池資產所有權形式的不同，在開展梯次利用業務過程中選取的商業模式、面臨的問題和承擔的回收責任也有所差異。一方面新能源汽車生產企業在開展動力電池回收再利用時希望掌握電池原始工藝的PACK企業更多參與其中；另一方面專業化梯次利用系統集成商還會面臨來自電池回購規模和成本的壓力和難以獲取準確電池歷史運行數據的困擾。

由于商業模式不同，擁有動力電池資產所有權的新能源汽車生產運營企業或動力電池生產企業對于梯次利用有著更加長遠的規劃和更為樂觀的態度。以蔚來汽車為代表，采用電池換電模式，車載動力電池系統運行二至三年后退役。電池系統的運行數據存儲在云端，通過大數據技術對電池系統的性能和健康狀態進行在線監測，據此分析并篩選退役動力電池包，通過多車并聯和靈活控制系統構建比較大規模的儲能系統，并選擇合適的場景開展示范應用。

6、小結

CNESA研究部從2015年起長期關注退役動力電池回收及其在儲能領域的梯次利用。與前幾年的觀望態度相比，面對即將出現并且規模可觀的退役動力電池，正在有越來越多的產業鏈相關方開始積極布局梯次利用技術研發和商業化應用。

除了上面總結的五個主要關注點，現階段梯次利用在如何選擇應用場景，如何讓客戶認同梯次利用產品的價值并確保售后服務，如何根據應用場景確立梯次利用建設標準和建設方案，如何構建健全渠道確保退役動力電池系統得到有效回收，如何對退役動力電池進行安全運輸儲存等方面仍然有大量工作要做。盡管現階段有很多問題仍然存在爭議并且無法找到明確的答案，但是相信隨著國家政策支持和標準體系不斷完善，隨著各方協同參與的力度日漸增強，梯次利用產業發展過程中面臨的問題將逐步化解，退役動力電池全壽命周期價值也將得到充分展現。CNESA研究部也將對梯次利用產業的發展進行持續關注。