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煦达新能源李剑铎:动力电池梯次储能的技术边界探讨及应用实践总结

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2021-07-13 浏览:

中国储能网讯:7月9-10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、国网四川综合能源服务有限公司、国网浙江综合能源服务有限公司、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司、中国科学院电工研究所储能技术组等单位共同主办的“第五届全国电网侧暨用户侧储能技术应用高层研讨会”在江苏南通文峰酒店召开。

在本次会议上,上海煦达新能源科技有限公司总经理李剑铎分享了主题报告《动力电池梯次储能的技术边界探讨及应用实践总结》。现在,小编经过授权,将演讲内容整理如下:

李剑铎:大家上午好,我今天是上午的最后一个报告,我刚才听了一下几乎前面所有的报告都是关于电网侧的储能,而只有我这最后一个报告是关于用户侧的,而且是最近非常敏感的话题,关于梯次储能的。

我报告的题目是《动力电池梯次储能的技术边界探讨及应用实践总结》,先谢谢组委会给我这个机会。 近期关于梯次储能有很多争议,我想借着这个机会给大家介绍一下我们对梯次储能的理解和在储能这个领域所做的一些工作。

先简单介绍一下煦达新能源,煦达新能源是上市公司中恒电气的下属子公司,我们一直从事国内的用户侧储能的建设运营方面的工作,从2016年起,通过多方面因素的考虑,我们把梯次储能作为我们用户侧能源经营方向主要的突破口,从2016年到现在我们已经建立投运用户侧梯次储能项目接近60MWh,这些项目都是中小型的储能项目,从几百度电到两三兆瓦时不等,总投资超过了七千多万,绝大部分都是在江浙沪这个区域,运行时间长一些有三四年,短一些的是最近一年投运的。

从我们的用户储能云平台可以看出,我们在梯次储能领域已经做了很多工作,大家都知道两个星期前,国家能源局颁发了新型储能的建设指导意见,其中的第14条提出,原则上不能建设大规模的动力电池梯次储能项目。这个事情我们以前通过一些渠道跟能源局的领导沟通过,按照他们的本意,他们担心梯次储能不太成熟,如果一下子贸然上很多大规模的梯次储能项目,尤其是用在电网侧,是不是会对电网产生一些负面的影响,所以专门出了相关规定。

本来我们觉得这个事情跟我们关系也不大,因为我们做的都是中小型储能项目,根据2014年的国家相关储能标准,30兆瓦或者30兆瓦时以上称之为大型储能项目,1兆瓦及1兆瓦时以下称之为小型,其他就可以称之为中型。按照我们的建设规模,百分之百都属于中小型,按道理不应该受到这个规定的约束。 但是没想到这个规定出来之后,可以说引起了轩然大波,社会上、舆论上对梯次利用的事情有很多的非议,很多人认为政府对梯次储能准备一刀切,不准备支持这个工作,包括储能的梯次利用是一个伪命题等等。

所以我们除了一方面向国家能源局的相关领导提供我们的反馈意见之外,我也想借助这个机会向大家介绍一下,我们在梯次储能领域做的一些工作,毕竟我们已经做了这么多项目,积累了一整套相对完整的梯次储能系统集成和运维管理经验,我希望大家通过我的介绍对梯次储能有一个更深的理解。至少从我们看来,我们认为梯次储能市场潜力巨大,创新的地方也非常多,但是绝对不是一个简单的低成本的,靠着简单的堆砌做一些投机取巧的事情就可以成功的,实际上是一个对团队的技术和管理经验要求非常高的应用领域。

梯次储能到底能不能用,最关键是梯次电池到底具不具备足够多的循环次数,从这张图中我们看到国内某大厂商的针对他们自己的磷酸铁锂电池做的一个全生命循环周期的测试,横坐标是循环次数,纵坐标是剩余容量。大家可以看到当动力电池剩余容量在80%左右从电动车上退下来后,作为单电芯来说还是有足够多的循环寿命,从80%到50%这个阶段还有几千次的循环寿命。 这个就是我们做梯次储能最大的理论依据。如果磷酸铁锂电池没有这么多循环次数,就像铅酸一样,那么梯次储能这个事情真的没有任何做的必要。当然我们知道梯次储能面临最大的难点,其实不是单电芯循环寿命的问题,而是做成梯次储能系统之后的电池一致性和系统安全性的问题,但是这也正是梯次储能技术的难点和创新点。只要我们认真钻研踏踏实实解决了这些问题,梯次储能就完全可以得到推广。

另一方面,做梯次储能的时候对电池的选择非常重要,我们一开始走了很多弯路,现在明确了几个原则:

第一,梯次储能所用电芯基本只能用磷酸铁锂,三元电芯一般不主张用,因为三元牵扯到安全性还有循环次数的问题,所以我们所有的梯次储能项目中除了个别项目是跟着三元的电池厂商合作,做测试性、示范性的项目之外,其他所有梯次项目都是用的磷酸铁锂电池。

第二,我们也会发现一点,在选用梯次电池的时候最好选国内一线品牌,口碑和质量比较好的电池,真的是出身决定终身,如果本身的电池不好的话,我们后期做再多的工作也是没有办法的。所以在梯次电池中选择退役电池,从一开始就是需要慎重的,不是说盲目的随便拿一个电池就能用。

选好梯次电池之后就需要做梯次储能的系统集成,这是梯次储能的最关键环节,系统的安全性和电池的一致性主要靠系统集成的一些关键技术得到保证的。这里我们有几个关键的技术点给大家分享一下。

第一个是关于梯次电池包内部的组成,牵扯到电芯级重组、单电芯串联的技术路线。第二个是系统电气架构采用的组串式分布式方案。第三个是系统的充放电运行模式, 必须采用慢充慢放,甚至有条件的话我们也非常建议做浅充浅放的运行策略。下面分别详细介绍一下。

关于梯次电池包的电芯重组,为什么要做电芯级重组而不是把动力电池退役电池包直接利用在梯次储能系统里?从下面这张实验数据曲线图里就可以看出原因。这张图里对比了三组曲线,最上面的蓝线是电芯级重组的梯次储能,经过70天的真实现场运行后它的容量衰减情况。中间这条绿线是模组级梯次电池经过分选组成的梯次储能的容量衰减情况。最下面的就是我们从车上拿来的电池包,当时看上去还不错,大概剩余80%的容量,没有做过任何分选直接拿来做测试的容量衰减情况。从这三条曲线可以明显看出,经过电芯级重组的梯次储能系统衰减很小,完全具备现场应用价值。只经过模组级分选的梯次储能,运行情况还是比较稳定的,但是容量衰减比较厉害,其经济价值不大。而完全没经过分选的梯次电池在储能系统里基本上不能用,三天两头出问题,连稳定运行都谈不上,更不用说容量衰减了。其实这三条线也反映了我们做梯次储能的三个阶段,16年刚开始做的时候就是下面这条技术路线,没做分选,只不过是在车上拿下来直接组成系统来进行测试,后来发现这条路走不通。然后17年进入到中间这条技术路线, 采用分选后的梯次电池包,稳定运行是没问题了,但是容量衰减太大,还是不能真正使用。所以18年下半年最终又进化到最上面这条技术路线,采用电芯级重组的梯次储能电池包,稳定性和循环性才真正达到实际应用要求。这张图其实也说明梯次储能的集成应用是一个需要大量时间的过程,有很高的学习成本,不可能一蹴而就

从那以后,我们所有的梯次储能系统所用的电池包全部都经过电芯级重组。而经过电芯级重组之后,老实讲,就跟做一个新的电池包没什么区别,所有的电芯全部都要经过外观检测、电性能检测、电芯分容、老化测试、自放电率测试、电芯分选、模组重新成组、模组测试、簇测试等一系列步骤。这一系列步骤看上去会增加很多成本, 但是其实只要实现规模化之后,其成本增加有限。更关键的是,这么做带来很多好处,除了把电池容量衰减能够控制住来减少运维成本之外,还可以淘汰很多已经衰减比较严重的电芯,客观上也保证了系统的安全性。

当然,另一方面从实际情况来说,因为国内梯次电池非常非常复杂,有各种各样的情况。有的电池包从车上拆下来,其实根本没用四五年,很多只用了半年一年,甚至都没怎么用,像那种情况,你去测一下它的电池,里面性能真的非常好,这些都是直接可以PACK利用的。也有一种情况,PACK不能用,但是模组一致性也非常好,我们就干脆直接用模组。用得比较久的,真正的梯次电池,在我们看来可能真的全部要做电芯级重组才可以。右边这张图就列了一个大概的比例,从我们过去的经验来看,基本上是二八原则,最后大部分的梯次储能还是要做电芯重组。

进一步的,梯次储能集成的另外一个关键技术点, 电芯在重组做成电池包的时候, 我们要坚持做单电芯串联的成组方式。这个主要是从梯次储能的安全性考虑的。 现在市场上的储能系统,绝大部分可能是用多电芯并列,最少可能都是两个。根据江苏地区的储能电站设计规范中,明确要求电芯并联个数一般不大于2,但我知道有些项目做的时候可能会3个并联,或者4个并联。而在我们梯次储能方案中,我们坚决要求只做单电芯串联的方式,也就是“1并N串”。这样做的目的就是要完全避免芯间环流以消除安全隐患,同时实现全电芯可控(All-Cell-Control)。

全电芯可控的定义就是,任何一节电芯在整个储能系统里面都是真正的被独立的监测, 我们可以监测到每一个电芯的电压和温度。目前来看,电芯电压是反映电池稳定性的最重要的参数。 比如它在可能过充的时候,一定是它的电压先发生最直接的变化,只要监控到位,就可以及时通过BMS或者PCS\EMS来切断整个电气回路, 避免发生安全风险。而当电芯是并联两个或者更多的时候,其实BMS监测的电芯电压是这个小模组的平均电压, 并不能准确反应每一节电芯电压的变化情况,其保护力度无疑下降很多。

我们做了这么多梯次储能系统,到现在为止,安全性还是不错的。我个人认为采用的这种单芯串联的方式其实是保证梯次储能安全性的一个最重要的基础。

梯次储能系统集成的第二个关键技术电就是一定要做到单簇独立管理,也就是我们所说的分布式架构,其主要目的就是为了防止簇间环流。一个芯间环流,一个簇间环流,都是容易导致储能系统失控的最主要原因,所以在梯次储能这种对安全性要求这么高的领域组串分布式的系统电气架构一定是必须的。

第三个关键技术点就是对梯次电池要慢充慢放, 换句话说, 梯次储能是典型的容量型储能系统,只能用在一些长时储能领域。我们用梯次储能的时候一定要保证充放电电流不要太大,除了考虑到延缓容量衰减速度的因素外,较小的充放电电流也保证电池的电压变化幅度不会太快,这样有任何异常都可以及时反馈到保护系统进行快速切断,这也是出于安全角度的一个保护措施。梯次储能的充放电电流基本上按照现在的原则来说不会超过0.33C,这个0.33一般指的是充电,充电坚决不能超过0.33C。但放电在某种情况下,我们认为还是可以做到0.5C,因为放电是个能量释放的过程,对整个电池安全性的影响是很小的。大家很少听说一个电池在放电的时候出现故障,基本上是充电的过程中,快充满了,或者充满了之后,静置的时候出现问题。考虑到梯次电池的特殊性,进行慢充慢放一定是必须的技术措施。

关于梯次储能的消防措施。 其实我个人对储能消防理解是这样的。因为大家都知道,现在有各种各样的消防措施,但是没有一个公认的办法,一定是把储能火灾给完全灭掉。我认为梯次储能安全最大的保证还是做好前面的预防性系统集成工作,包括我刚才提到的电芯重组,单芯串联,单簇管理,慢充慢放等等。做好了这些工作之后,剩下的消防措施其实是可以和全新的电池一样。全新的电池做成什么样,梯次储能就做成什么样。

下面再简单介绍一下我们对梯次储能容量衰减分析的理解。相对于新电池储能系统,虽然我们已经采取了很多措施,但是梯次储能系统的衰减一定是比新电池严重一些的。所以,通过技术手段延缓梯次电池的容量衰减、保证电池的一致性可以说是梯次储能的一个永恒的课题。 我们的梯次储能的每一簇都是单电芯串联的,从这张图可以很容易看出电池簇容量衰减的原因, 也就是电池不一致性增大之后对电池容量的影响。 正常情况下,原始容量就像这个样子,每节电池容量都差不多,所以整簇容量基本上就是所有电芯容量的叠加。 但是运行一段时间之后,充电时一定会有个别的电芯最先达到充电电压保护上限,放电时一定也有个别电芯最先达到放电电压保护下限,这样由于电池的不一致性把整个电池簇的整体容量给拉低了。当然,在实际中的情况会比这张图复杂很多。因为冒尖的可能不只一个,可能好几个,甚至SOH不一样,意味着代表每个电芯容量的方块的长度就不一样, 这会大大加大电池容量衰减分析的复杂度。

针对延缓梯次电池容量衰减的问题,我们这几年也做了很多工作,有很多技术手段可以选择,目前来看,主动BMS是其中非常有效的一种。下面就是一个实际测试的结果,一套剩余容量80几度电的梯次储能系统,安装主动BMS每天进行充放电均衡, 大概做了一个星期之后,它从85度电恢复到97度电,效果还是明显的。更进一步可以看到左下角这张图里,均衡前全部电芯的放电截止电压可以看到是非常分散的,高高低低。均衡之后,明显一致性就变得越来越好。这就说明我们主动均衡确实有效果。本来今年年初就想要把所有的梯次储能全部都换成主动均衡,但由于成本上涨,这个事情现在还没执行下去,可能再过几个月之后,逐渐把所有的被动均衡BMS换成主动均衡BMS。我们现在主要拿主动均衡BMS去做配平或者修复工具来使用。

下面是一个关于梯次储能容量衰减的真实案例。去年我们跟浙江铁塔合作,去年大概是8月份开始,装了十几个站点的铁塔基站储备一体系统, 将原来的纯备电功能的电池改装成既能做备电每天也能做储能循环的梯次储能系统。电池簇电压不高,才48伏。每个站点的容量也都不大,大概几十度电不等。运行一年之后,大家可以看看整个容量衰减的效果。 这里面大概是10个站点的数据,左边这个蓝色图片是投运时的容量,右边红色是今年6月份实测的剩余容量,可以看到几乎没有任何变化。这是真正拿着我们重组过的梯次储能系统做的一年左右的真实数据。

之所以这个梯次储能系统的效果这么好, 除了因为整个电池系统电压比较低只有48伏之外, 也是因为我们在里面也采取了一些比较特殊的充放电控制措施有关。所以, 从这个实际运行的结果来看, 把梯次电池用在铁塔的储备一体领域是没有任何问题的。

此外, 我们也在梯次储能电站的智能化运维方面也做了很多的工作。 毕竟因为我们自己手底下的电站已经60兆瓦时,接近一百个站点。我们对梯次储能系统的智能运维要求越来越高,我们也在建立自己的梯次电池的电芯质量评价体系。通过这个评价体系,会生成健康报告,进而自动生成运维报告及运维工单。不能像以前那样简简单单,直接派几个人盯现场就行了,现在的站点已经比较分散了,所以自动化智能运维、人工智能大数据的分析工作必须要做起来。

这是我们在梯次储能的一些项目案例,我就不多介绍了。集装箱式的也有,分布式的也有。

做个总结,因为近期关于梯次储能的争议很大,我自己是有这么几点思考,跟大家一起来分享。

第一,梯次电池到底如何定义?现在一直没有一个很明确的标准,大家都说梯次电池就应该从车上拆下来才算。 但是其实大家都知道电池厂有很多电池,有B品、C品等等,这些算不算梯次电池?很多电池在车上仅仅用了一两年就退下来了,剩余容量都超过90%了,这些算不算梯次电池?现在也有很多储能系统运行一年半载之后,因为各种各样的因素需要搬迁的,这些算不算梯次电池?一个新电池系统, 运行了两三年之后, 容量衰减到一定程度了, 这些算不算梯次电池? 如果要严格规范梯次储能的应用,那首先我们要有一个明确的定义,很遗憾的是现在还没有看到, 所以也很困惑。

第二,我个人认为储能应该是梯次利用中的最佳应用领域,可能这点很多人会有异议。但我是这么理解的: 因为梯次利用可以分成动态和静态两大领域,动态就不说了,两轮车,三轮车,等等一些移动式的应用领域, 这个领域不好管控肯定是比较危险,因为它移动,分散,不可控,不易溯源。静态应用主要是储能和备电,我个人认为有的时候备电会更危险,因为备电是平常轻易不用,一用就是大电流充放,因为做备电,要把整个站的负荷全部都带起来,这种平常不用偶尔用一次的场景其实对梯次电池的考验更大。做储能对梯次利用的要求是最高的。无论是循环性,一致性,安全性,要求都很高。但我觉得它第一是静态,装在那不动比较安全,第二它可控,通过我们的监控系统,可以对每一个电芯进行实时检测,保护措施充足。另外就是现在上的储能系统全部要做备案,在江苏这边的任何一个用户侧储能系统全部都要经过发改委,电网公司的审批才可以。这样非常便于溯源,非常便于管理。真正到了不能再用的时候,直接统一销毁,统一拆解,这样也不会造成污染。

第三,梯次储能系统集成及运维牵扯到很复杂的技术和管理问题。也正因为这样,我觉得这是一个高门槛、需要时间积累而且具备创新性的研究领域,需要脚踏实地的做出成绩来,而不是简简单单觉得梯次储能好像便宜,就随便拿一些梯次电池组成个储能系统就用起来,那样一般都做不好。

第四,从经济性和成本角度来说,大家都觉得梯次储能应该是很便宜的,很多用户在跟我们谈梯次储能的报价时,说你的梯次储能应该比新电池储能系统便宜50%,这个我们真做不到。按照我们一整套的集成方法做下来,比新电池便宜20%-30%是正常的。但是从全生命周期循环寿命的角度来看,再考虑运维成本,其实跟新电池是差不多的,它没有打破市场的规则,没有打破这个市场的平衡。举个例子,现在很多新能源配套储能,比如标配的是1兆瓦/2兆瓦时的新电池。我们做梯次,至少要做到1兆瓦/3兆瓦时,所以这两者初期投资成本是差不多的。对于用户来说,相当于面临一个抉择: 我买新电池稳定性比较好,运行时间长,但我每天的收益会少一点,因为它每天只有两千度电可以充放。而梯次电池有三千度电,会使收益期缩短,但是循环寿命肯定不如新电池。 究竟选择哪种方案由用户自己来判断, 在这个例子里,我们是给用户提供了新的选择,而不是决定性的压倒性的优势。任何事情都是有平衡的,这个平衡的状态不会被轻易打破的。我想强调的是梯次储能只是在当前同质化竞争比较严重的储能领域里,给用户多了一种选择而已。

最后是我个人的一些感慨:梯次储能真的比较复杂不容易做好。很多人对梯次储能没有做过脚踏实地的调查,更没有真正做过,经常就会人云亦云的说梯次储能不可行,这是个伪命题等等。我觉得这种结论还是不要轻易去下,它是不是可行应该以科学为依据,以事实来说话,而不是武断的直接给出结论。希望能给梯次储能一个健康成长的舆论环境, 让我们这些公司能够心无旁骛的认认真真把梯次储能这个领域给做好。

谢谢大家,我就讲这么多。

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关键字:动力电池 梯次利用

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