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再谈电动汽车动力电池的梯次利用(三)

作者:夏军 来源:新能源Leander 发布时间:2015-06-15 浏览:
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五、梯次利用的难点与挑战

针对退役的动力电池,有两种可行的处理方法,一种是直接作为工业废品,进行报废和拆解,提炼其中的原材料,实现原材料的循环利用,这方面已经有一些国内的企业进行商业化运作;另一种方式,则考虑退役的动力电池,虽然已经不满足汽车的使用条件,但仍然拥有一定的余能,其寿命并未完全终止,可以用在其他领域作为 电能的载体使用,从而充分发挥其剩余价值。

相对而言,梯次利用更能够发挥产品的最大价值,实现循环经济的利益最大化,是更为绿色和环保的做法。但梯次利用所面临的难题和挑战也非常的多,如果不能有效解决,就不能实现真正的产业化。

1. 电池拆解

动力电池退役时,是整个pack从车上拆解下来的。不同的车型有不同的电池pack设计,其内外部结构设计,模组连接方式,工艺技术各不相同,意味着不可能用一套拆解流水线适合所有的电池pack和内部模组。那么,在电池拆解方面,就需要进行柔性化的配置,将拆解流水线进行分段细化,针对不同的电池pack,在制定拆解操作流程时,要尽可能复用现有流水线的工段和工序,以提高作业效率,降低重复投资。

在拆解作业时,不可能完全实现自动化,必然存在大量的人工作业,而pack本身是高能量载体,如果操作不当,可能会发生短路、漏液等各种安全问题,进而可能造成起火或爆炸,导致人员伤亡和财产损失。因此,采取什么样的措施和方法,确保电池拆解过程中的安全作业,是梯次利用的一个重点。

2. 剩余寿命预测

这里分两种情况考虑,一种是动力电池在服役期间,其相关运行数据有完整记录,那么当梯次利用的厂家拿到这些数据之后,结合电池的出厂数据,可以建立电池模组的简单寿命模型,能够大致估算出,在特定运行条件下电池模组的剩余寿命(根据所设定的终止条件)。

另 一种情况就恶劣的多了,动力电池的使用情况并无数据记录,仅有出厂时的原始数据(如标称容量、电压、额定循环寿命等),使用过程未知,当前状态未知。当梯次利用的厂家拿到电池后,如何判断其健康状态和剩余寿命呢?这就需要对每个模组进行测试,先明确其当前的健康状态,然后要根据测试数据和出厂时的原始数 据,建立一个对应关系,根据不同的材料体系,大致估算其潜藏的剩余价值。

第 二种情况,梯次利用的成本会提高很多,测试设备、测试费用、测试时间、分析建模等,都会增加不少的成本,导致梯次利用的经济价值降低。基于有限的数据,对剩余寿命的预测也是不准确的,这无疑又会增加梯次利用产品的品质风险,使得产品的生命周期成本较高。所以,如何做到快速无损的检测,是该种情况下梯次利用 的关键所在。

3. 系统集成技术

梯次利用,最合理的应该是拆解到模组级,而不是电芯级,因为电芯之间的连接通常都是激光焊接或其他刚性连接工艺,要做到无损拆解,难度极大,考虑成本和收益,得不偿失。

不同批次的电池模组,甚至来自不同厂家的电池模组,如何在同一系统中混用?这里面有几个系统集成技术必须着重考虑并解决:

1)分组技术

需要对不同的电池模组建立数据库,根据材料体系、容量、内阻、剩余循环寿命等参数重新分组。分组参数设定要合理,过大不好,模组离散性大,成组为系统后,对系统性能和寿命影响很大;过小也不行,分组过于严格,会导致可匹配的模组少,系统集成困难,产品成本很高。

2)成组技术

什么类型的电池模组可以成组为系统,这需要结合产品定位和目标市场(高端?中端?低端?),现有电池模组等级和类型,以及产品开发具体目标(性能,寿命等),建立一个系统级模型,推算出相关的匹配系数,确定产品的总体方案。

3)系统柔性设计

这里有两个方面需要考虑:系统结构方面,需要充分考虑不同模组可能具有不同的尺寸,重量和串并联数,那么系统内部的结构设计应该是在X,Y,Z轴方向都有很大的弹性,以兼容不同的模组,固定方式既要考虑紧固性和可靠性,又要考虑弹性和便于快速装卸;模组的线束连接方面,多柔性化考虑,做到可快插和快换。

4. 电池管理系统的鲁棒性

(锂)电池管理系统的设计,一直是个世界级的难题,直到目前为止,也没有哪个公司在这个领域做到相当的成熟,最多实现了产业化而已。针对电池组的优化管理,尚无非常有效的解决方案,因为电芯并不是一个特性比较明确的物理系统,而是一个在不断变化的化学系统,其各项参数都与运行工况、外部环境、内部劣化速度相关, 随时间在不断的变化。国外在算法和理论研究方面走的比较早,在工程方面也有深厚积累,所以产业相对成熟。国内在BMS软硬件研发方面,起步较晚(最近几年的事情),理论研究不足,工程应用是小步快跑,整体资源投入不足,各家企业都还没有非常稳定可靠的解决方案。

在梯次利用领域,BMS所要面对的情况,比汽车领域更为复杂。面对各种化学体系、各种规格和批次、各个生产厂家、各种健康状态的电池模组,如何进行有效的管理,确保他们在今后的岁月中健康工作,安度晚年?

在硬件方面,应确保BMS的硬件归一化设计,兼容各种不同的模组,而不必针对不同的模组和产品,开发多种规格的硬件产品。这样可以简化BMS的 硬件开发、升级和维护,降低产品的成本。在软件方面,需要做到底层软件模块化、标准化和固定化,应用层软件做到模块化、标准化和智能化,能够自适应各种类型的模组,并能够自我学习,在运行过程中为模组和电芯建立模型,做到智能化的监控、预测、诊断、报警和各类在线服务。软件的升级可在线进行,并可远程升 级。

5. 成本控制

毫无疑问,成本是梯次利用的最大优势,也是梯次利用经济效益的来源。那么如何做到良好的成本控制,将系统成本做到新电池产品的三分之一,甚至五分之一,将直接决定梯次利用是否能够发展成为一个庞大的产业。

在原材料环节,如何以较低的成本拿到电池pack,如何降低pack和模组拆解的难度,如何针对不同pack复用流水线和工艺,如何简化测试,如何建立电池模型等,都会影响后续的产品成本。

在产品开发环节,如上面所讲,系统集成是关键,电池模组混用、系统柔性化设计、BMS鲁棒性设计等,都能有效降低产品物料成本。

在产品的运维环节,如何确定合理的质保年限,做到智能化的管理,远程诊断和维护等,都会影响产品的生命周期成本。

6. 产业链整合

动力电池的梯次利用产业链,涉及到用户(车主或商业运营单位)、车企、动力电池企业、梯次利用企业,如何创造一个共生共赢的产业链生态圈,是必须要考虑的。

如果仅仅是后端的梯次利用企业获利,那么用户、车企、以及动力电池企业,就没有足够的动力去参与和推动动力电池的梯次利用,产业规模就难以起来。

这既需要政府层面建立相关规范和标准,也需要产业链各环节的企业,一起紧密合作,尝试成立电动汽车后市场的产业联盟,大家一起来参与,才能推动产业健康发展。

7. 商业模式创新

对于动力电池的梯次利用衍生产品,客户在知情的情况下,会对产品的性能、寿命、可靠性、安全性等心存疑虑,产品的推广会存在一定的阻碍。在产品的推广和应用 方面,要充分考虑客户的现状和诉求,多种商业运作方式相结合,在充分帮助客户获利的基础上,获得自己的利益。可充分借鉴其他行业的一些成功经验,如分期付款、分时租赁、盈利后结算、托管运营、甚至免费供货(靠后续增值服务)等,探索梯次利用方面的有效商业模式。

六、可靠性与安全性难题

1. 电芯的容量和内阻离散性

即使经过严格筛选的退役电池模组,在重新配对成组为系统之后,由于大多数电芯都已进入生命周期的中后期,其老化(劣化)速度不一,并且情况较刚出厂的电池要恶劣的多,突出表现为容量和内阻的差异越来越大,导致系统在可用容量和充放电功率方面越来越弱,可靠性问题严重。

这种老化速度的离散性变化趋势,严重时会使得产品的性能和寿命远低于预期,增加产品的售后风险。那么在技术研究上面,除了上述已经谈到了的分组和成组技术,还需要结合BMS的智能化管理和电力电子的功率变换技术,通过BMS在运行过程中去“感知”这种变化趋势,并找出系统的短板,再通过电力电子技术去平衡或弥补“缺陷”,一定程度而言,可以延缓这种加速老化的趋势,延长使用寿命。

2. 潜在的安全隐患

针对拆借后的电池模组,仅通过目视检查,是无法发现一些安全缺陷的,如轻微胀气、漏液、内短路、外壳破损、绝缘失效、极柱腐蚀等。如果这些安全缺陷不被检查出来,相关模组用到新产品中,那么会导致新产品存在较为严重的安全隐患。采取简单、快速而有效的检查措施为拆解后的电池模组进行安全“体检”,这是非常重 要的测试工序。

在新产品运行过程中,BMS仍然承担着电池“家庭医生”的角色,必须时刻对安全状态进行监控,排查隐患,及时采取措施。在梯次利用市场,BMS的安全检测功能显得尤为重要,如同人到中年,身体自然不如年轻人那么健康,及时体检,能够发现大多数疾病的前兆。

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关键字:新能源汽车 动力电池

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