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废旧动力电池梯次利用典型场景与推广应用难点分析

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国汽车工业信息网 发布时间:2020-04-19 浏览:
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随着新能源车推广普及的程度逐步加大,未来的动力电池将面临大规模退役的问题。2020年,最早推广的一批新能源车型即将退役,预计今年的退役规模将达到25GWh(约20万吨)。如何利用好、管理好此等规模的废旧动力电池,值得全社会共同思考。

在我国政府的大力推广下,中国已经多年蝉联全球最大的新能源汽车市场,同时也是新能源动力电池最大的生产国家。根据中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会研究部发布的报告显示,2019年我国动力电池装机量约62.2GWh,同比增长9.3%。随着新能源车推广普及的程度逐步加大,未来的动力电池将面临大规模退役的问题。2020年,最早推广的一批新能源车型即将退役,预计今年的退役规模将达到25GWh(约20万吨)。如何利用好、管理好此等规模的废旧动力电池,值得全社会共同思考。

1、废旧动力电池回收利用阶段划分

当动力电池不能完全满足车用需求时,可以应用于其他场景,继续发挥其功能,做到资源利用的最大化。根据电池性能衰退程度,可将回收利用大体分为四个阶段,从第一阶段向下级延伸,直至完全不能满足各场景的使用要求后,进入第四阶段,即再生利用环节。

第一阶段的电池可应用于对放电功率要求稍低的低速电动车、电动三轮车等移动、复杂工况场景;第二阶段的电池可应用于电网等对电池性能要求较低的储能场景;第三阶段的电池主要为低端储能场景,如家庭储能、充电宝等;第四阶段的电池将被再生利用,回收金属元素。

前三个阶段的动力电池为梯次利用环节,能否提升梯次利用的经济性,是提升电池全生命周期价值的重中之重。

2、梯次利用电池的处理流程

首先判定其是否可整包应用,如性能良好,并能满足相应场景要求,则整包进入梯次利用环节。如不能整包利用,则拆解模组,分选出性能良好的模组,对其进行重组后进入使用环节。对不能满足要求的模组进一步拆分到单体,挑选能够梯次利用的单体进行二次重组。

3、典型梯次利用场景及其工况要求

梯次利用场景多种多样,每种场景都有与之相对应的使用要求。本文将针对典型应用场景进行重点研究,并分析废旧动力电池在各场景下的梯次利用难易程度。

3.1 通信用备用电源使用场景

通信基站出于安全方面的考虑,对电池材料进行了限制,仅使用磷酸铁锂电池。电池分为分立式和集成式两种,两者的区别在于电池模块与电池管理系统是否集成为一体。废旧电池在这两种形式的电源上均能实现梯次利用,对比两种电源的相关标准(YD/T 2344.1—2011 通信用磷酸铁锂电池组 第1部分:集成式电池组、YD/T 2344.2-2015 通信用磷酸铁锂电池组 第2部分:分立式电池组),可以看出两者仅在循环寿命的要求上存在较大差异,其他指标要求几乎相同。

通过对比车用动力电池和通信基站备用电源的试验内容及方法,不难发现,车用动力电池退役后,如果仅是剩余容量发生了变化,其他性能衰退不严重的情况下,只需重点在容量保持率、电池组一致性、深度放电等方面通过相关检测后就能在通信基站备用电源领域应用。

表2 车用和基站用电池的标准及试验方法对比

3.2 储能集装箱使用场景

梯次电池也可在储能领域进行推广应用,通常可以用做应急能源,也可以在电网负荷低的时候储能,在电网高负荷的时候输出能量,实现削峰填谷的功能,减轻电网波动。

储能集装箱系统将储能电池、电池管理系统BMS(battery management system)、储能变流器系统PCS(power control system)、动环监控系统、消防系统、空调系统等集中于一个集装箱内。

典型的40英尺(12192mm×2438mm×2896mm)集装箱储能系统架构方案主要包括4个部分:储能变流器PCS、梯次电池组、主动均衡电池管理系统BMS和电池柜,同时配备动力环境控制系统及消防系统。

由于集装箱尺寸较大,因此该场景下推荐对废旧动力电池进行整包利用,减小电池拆包重组成本。同时,如果将该系统布置在工业园区等露天面积较大的场地,可以在屋顶配合光伏板发电,进一步提升储能系统的经济性。企业自行搭建的储能集装箱往往难以接入国家电网,组建园区内的电力微网是最为实际的方案。若储能规模较小,可优先通过充电桩为新能源车充电;若储能规模较大,可考虑为办公楼等其他用电场所提供电力。

3.3 低速车使用场景

低速电动车涵盖电动自行车、电动摩托车、电动三轮车、低速电动汽车等多种场景。

针对快递公司所使用的电动三轮车,部分公司开展了梯次电池租赁模式的示范推广。电池的产权归属于梯次利用企业,快递公司付费租用,后期的电池维修、更换也由梯次利用企业负责。这种商业模式可以带来以下的几点优势:①可以平衡快递公司单次采购大批量电池带来的成本压力;②电池的电量使用完毕后,通常放置在充电柜中进行充电,充电条件温和,有利于延长电池的使用寿命;③梯次利用使用之后还可以将电池有效回收,进入再生利用环节,避免电池造成环境污染。

按照《四轮低速电动车技术条件》(草案)要求,低速电动汽车的动力电池在安全、电性能及循环寿命3项关键技术方面的要求均引用新能源车用动力电池对应的标准,车用梯次动力电池在低速车领域的适应性较高。

表3 低速电动汽车对动力电池的性能要求

3.4 AGV小车使用场景

AGV (Automated Guided Vehicle,简称AGV)小车指装备有电磁或光学等自动导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种移载功能的运输车,工业应用中不需驾驶员的搬运车,以蓄电池为其动力来源。

AGV小车的工况特点如下:固定路线、浅充浅放、使用条件温和。目前,AGV小车通常使用的电池仍是铅酸电池,若改用退役的动力电池可提升其工作性能。因此,可利用梯次动力电池对原有铅酸电池进行替换。

表4 AGV小车用铅酸电池和梯次锂离子电池性能对比

4、动力电池梯次利用难点

动力电池的梯次利用面临诸多挑战,尤其在经济性、安全性方面的难题制约着该产业的进一步发展。

4.1 拆解利用,成本高昂

每家整车企业的电池系统设计均不相同,无法采用同一套拆解流水线,导致电池拆解时极为不便,自动化程度极低。

废旧动力电池在拆解进行梯次利用时,必须经过多道工艺流程,包括品质检测、安全性评估、循环寿命测试等,再将电芯分选分级、重组后才可以实现梯次利用。整个处理的过程耗时耗力,成本居高不下。

4.2 梯次电池的安全性需要重视

退役动力电池经历了严酷的车用使用环节,各方面的性能衰退难以直接判别,尤其是电池的安全问题应当引起行业的重点关注。随着电池循环寿命的增加,起火、自燃等隐患大幅上升。对于新电池的安全标准、试验方法已经很完备,但对于梯次电池的安全性,目前没有相关的标准可以参考。部分企业提出利用大数据的方式判断电池模组的健康情况,这种方式可否单独使用还是作为人工筛选的辅助手段需要进一步研究。

同时,梯次电池的使用场景缺乏管控。哪些场景下可以使用梯次电池,哪些场景禁止使用梯次电池没有相应要求;在梯次电池的应用中,如何应对其进行监控、出现事故后责任如何判断都是行业监管的空白地带。

5、动力电池梯次利用任重道远

废旧动力电池的梯次利用产业发展任重道远。通过以上内容的研究,可以看出,废旧动力电池梯次利用可以实现资源利用的最大化,符合绿色、循环、可持续的发展理念。其使用场景丰富,市场空间巨大,在利用得当的前提下,可以创造很大的经济价值。但该产业也面临着经济性、安全性的双重考验,只有突破这两大瓶颈,才能迎来产业的高质量发展。

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