动力电池梯次利用简述

动力电池梯次利用简述1.概述从电动汽车上退役的动力电池通常具有初始容量60-80%的剩余容量，并且具有一定的使用寿命，目前主要有两种可行的处理方法：其一是梯次利用，即将退役的动力电池用在储能等其他领域作为电能的载体使用，从而充分发挥剩余价值；其二是拆解回收，即将退役电池进行放电和拆解，提炼原材料，从而实现循环利用。经过几年的研究探索和试点示范，我国动力电池梯级利用应用领域已集中在电力系统储能、通信基站备用电源、低速电动车以及小型分布式家庭储能、风光互补路灯、移动充电车、电动叉车等其他相关领域。2.政策国家积极鼓励动力电池梯级利用，但是暂未建立起完善动力电池梯级利用政策体系。《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，提出建立动力电池梯级利用管理体系。2016年1月，《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策》发布，国家明确提出要鼓励先梯级利用后再生利用，并且支持企业开展梯级利用，不断技术开发和创新。2016年2月份，工信部发布新能源汽车废旧动力蓄电池梯级利用行业规范条件和名单管理暂行办法。2018年1月出台的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》中明确国家鼓励开展动力电池梯级利用，综合利用企业应符合《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》（工业和信息化部公告2016年第6号）的规模、装备和工艺等要求，鼓励采用先进适用的技术工艺及装备，开展梯次利用和再生利用。梯次利用企业应遵循国家有关政策及标准等要求，按照汽车生产企业提供的拆解技术信息，对废旧动力蓄电池进行分类重组利用，并对梯次利用电池产品进行编码。梯次利用企业应回收梯次利用电池产品生产、检测、使用等过程中产生的废旧动力蓄电池，集中贮存并移交至再生利用企业。再生利用企业应遵循国家有关政策及标准等要求，按照汽车生产企业提供的拆解技术信息规范拆解，开展再生利用。2018年2月发布的《新能源汽车动力蓄电池回收利用试点实施方案》明确在京津冀、长三角、珠三角、中部区域等选择部分地区，开展新能源汽车动力蓄电池回收利用试点工作，以试点地区为中心，向周边区域辐射。支持中国铁塔公司等企业结合各地区试点工作，充分发挥企业自身优势，开展动力蓄电池梯次利用示范工程建设。2018年7月发布的《关于做好新能源汽车动力蓄电池回收利用试点工作的通知》，要求车企对动力电池回收负主要责任，要求车企建立回收服务网点，充分发挥现有售后服务渠道优势，与电池生产、报废汽车回收拆解及综合利用企业合作构建区域化回收利用体系。目前，各大车企已经纷纷着手建设动力电池回收网点，工信部新能源汽车动力蓄电池回收服务网点信息公示系统显示，全国已经有3500个动力电池回收网点。2018年7月工业和信息化部正式发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用溯源管理暂行规定》，要求建立“新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台”，对动力蓄电池生产、销售、使用、报废、回收、利用等全过程进行信息采集，对各环节主体履行回收利用责任情况实施监测。该规定8月1日起实施。2019年4月发布的《工业和信息化部办公厅国家开发银行办公厅关于加快推进工业节能与绿色发展的通知》中明确重点支持开展退役新能源汽车动力蓄电池梯级利用和再利用。3.梯级利用与拆解的选择国家倡导动力电池梯级利用，但这仅是倡导并非强制，所以目前市场上对于退役动力电池的处理，直接拆解的也有，梯级利用的也有。当前业内对于动力电池是“梯级利用”还是“直接拆解”也存在不同意见。支持“直接拆解”的主要理由有：1、梯级利用技术不成熟；2、梯级利用过程中，安全问题不可控；3、梯级利用投入成本相当高；4、随着上游原材料钴、镍价格的不断上涨，直接拆解回收的资源规模化效益远大于梯级利用。当前主流电动汽车动力电池主要分为磷酸铁锂和三元电池，磷酸铁锂主要用在商用车上，三元电池主要用在乘用车上。当前主流乘用车使用三元锂电池，安全性不好保证，梯级利用作为储能使用面临一定困难。但随着钴、镍材料价格的高涨，直接拆解三元动力电池还具有盈利空间。对于磷酸铁锂电池而言，直接拆解不见得有资源规模化效益，而进入梯级利用是重要方向。4.磷酸铁锂和三元锂电池比较目前的动力电池市场，除了铅酸电池外，锂电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池。二者在性能上存在一定差异。能量密度方面，磷酸铁锂电池的能量密度较三元锂电池相差很多，磷酸铁锂电池单体能量密度通常在90-120Wh/kg之间，而三元锂电池单体能量密度可以达到200Wh/kg左右。目前新能源汽车的补贴标准是电池包系统的能量密度超过105Wh/kg。安全性方面，就材料体系而言，三元锂电池正极材料的分解温度在200℃左右，磷酸铁锂电池正极材料的分解温度在700℃左右。实验室测试环境下短路磷酸铁锂电池单体，基本不发出现着火的情况，三元锂电池则不然，在使用三元锂电池时尤其要对热管理提出较高的要求。对于整车电池包来讲，安全措施更加完善与科学，通过BMS有效对锂电池进行管理，电池可以工作在安全的状态下。温度适应性方面，高温与常温放电时，磷酸铁锂电池相与三元锂电池差别不大，但是低温时候磷酸铁锂电池比三元锂电池要逊色，三元锂电池优势明显。电池成组一致性方面，三元锂电池性能优于磷酸铁锂电池。但值得注意的是较小的储能领域一致性比较容易保证，大型储能领域相对难得多。如果储能项目达到兆瓦时级别，相当于几十辆大巴车的级别，很难做到去挑选退役电池稳定运行，用新电池都很难做到。一个储能电站可能会有超过15万颗电芯，大量电芯集成的一致性甚至超过车对电池的一致性要求。充电效率方面，目前市面上较为常见的充电方式为恒流恒压式充电。一般在充电开始时先采用恒流充电，此时的电流较大，充电效率相对更高。而在电压达到一定数值之后，降低电流改为恒压充电，这样可以让电池充的比较满一些。在这个过程中，恒流充电容量与电池总容量的比值，称为恒流比。它是衡量一组电池在充电过程中充电效率的关键数值。通常百分比越大说明在恒流阶段充入的电量越高，也就证明该电池的充电效率更高。三元锂电池与磷酸铁锂电池在10C以下充电时，恒流比无明显差距，10C以上倍率充电时，也就是大电流快充时，磷酸铁锂电池恒流比例迅速降低，充电效率迅速降低。使用寿命方面，三元锂电池理论完成2000次充放电循环后电池容量衰减到80%，，但在实际使用中，当进行900次的充放电循环后，电池容量就基本衰减到了55%。但如果每次电池充放电都控制在0%-50%或者25%-75%的循环中工作，即使经过3000次的充放电循环，电池容量基本还能能够保持在70%左右，但这需要非常优秀的电池管理系统（BMS）。磷酸铁锂电池：磷酸铁锂电池即便是经过3000次0-100%的充放电使用，容量也才会衰减到80%，所以磷酸铁锂电池的电池管理系统就没那么复杂。5.梯级利用的关键技术对于退役的动力电池，并不是简单组合起来就能用，目前以PACK(电池包，即多级串并联电池构成模组)+BMS(电池管理系统)为主的梯次利用技术是较为主流的选择。退役动力电池的梯次利用通常包括以下步骤：(1)电池回收；(2)电池组拆解获得电池单体；(3)筛选出可使用的电池单体；(4)电池单体配对重组成电池组；(5)系统集成与运行维护。检测和筛选环节是梯次利用的关键。由于回收动力电池的不一致性，进行梯次利用时需要对其的剩余使用价值和健康状态进行大量的检测，对于使用情况类似、可以成组的电池进行筛选。此外，在电池一次使用期间，BMS检测系统能够记录较为完整的充放电运行数据，有助于在其退役时准确评估其剩余工作量，降低退役电池检测成本。检测筛选环节需要综合应用软件技术、测控技术、制程工艺等，涉及光、机、电等跨行业多学科技术，技术门槛非常高，另外由于最早迎来报废期的一批电池在设计之初就没有考虑到报废后梯次利用的问题，动力电池存在尺寸不统一，型号参差不齐，编码、记录不完善等问题，动力电池全生命周期也无法追溯，导致电池梯次利用存在较大安全风险。目前国内正处于起步阶段，如先导智能的子公司泰坦新动力、星云股份是国内锂电检测领域的龙头。系统集成（PACK）环节所面临的也是不同类型的电芯集成。PACK工序分为加工、组装、包装三大部分，其核心是将多个单一的电芯通过机械结构串联和并联起来形成电池包。动力锂电池电芯包括软包、钢壳/铝壳方体、圆柱形等，种类繁多，尺寸不一，且各类电芯标称容量、开路电压、电阻及电梯各异。具体操作过程中由于需要考虑整个电池包的机械强度、系统匹配等问题，需要涉及热管理、电流控制与检测、模组拼装设计以及计算机虚拟开发等大量的成熟技术相互交叉协作，是梯次利用过程中的高门槛环节。目前集成环节标准化不足，自动化率较低。BMS是管理系统、控制、显示、通信、信息采集模组的集合，起到了衔接整车、电池和整个电池系统的纽带作用，BMS电池管理系统的主要功能是智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，并实时监控电池状态，从而起到保护电池使用寿命的作用。对于电池厂商而言，BMS体现了厂商的核心技术竞争力，而对于动力电池梯次利用而言，BMS则决定了再利用电池的适用范围、寿命和整体价值。另外，按照国家规定一般都是满五年或者是跑了八万公里或是最关键的指标（额定容量）低于正常容量的80%之后要被退下来。之后最容易出现的问题是单体电压的电压差会拉得越来越大，很容易触发内部的BMS保护导致车无法运行，运行四五年之后车上的动力电池必须要退下来。但这里边有个时间问题，即2017年拿到的退役动力电池基本上是2012年和2013年左右投运的，当时动力电池的制造水准和现在是完全不一样，电池有50%-60%可用就不错了，报废比例非常高，而且之前的电池管理系统也并不先进。梯级利用难度很大。但是现在回收的动力电池基本为2014年和2015年之后生产的电池，质量有了很大提升，大概80%的电池可以重新利用，并且电池管理系统也成熟了很多，梯级利用难度也在减小。关于一致性问题，目前做储能的厂家提出组串分布式的概念，把整车退役的动力电池作为一个基本的储能单元利用，最大限度保证电池组原有状态和一致性不变，然后配上一台中小功率的过程控制系统（PCS），加上合适的监控单元构成一个基本的储能单元，再并联在一起，构成一个功率不等的储能功率系统。由于动力电池设计之初就考虑了一致性问题，并且配备了电池管理系统。退役的电池并不是损坏无法使用，而是整体容量不足，所以整套利用时一致性问题不大。因为退役锂电池到后期不能用，关键原因就是在大电流充放电的情况下，单体电池电压跳的非常厉害，所以使用时候一定要让电池电流控制在0.24C以下甚至更小，这样才能保证最高电压差和最低电压差控制在合理的范围内，延长使用寿命。目前梯级利用大多是小厂家在做，将电池再用于小储能、电动自行车/摩托车等领域。正规大厂家批量处理退役动力电池来梯级利用的不多。业内的看法是，如果需要从大量报废动力电池中去筛选、去检测，再拿来梯级利用，耗费人力、物力、财力太大，经济预期可能并不美好。如果电池包模块化，把退役动力电池包中的BMS数据统一导出来，直接知道电池处于什么状态，不需要拆解就可以直接拿去梯级利用。现在国家在规范动力电池的尺寸，鼓励电池包模块化设计，《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》中也明确提到对废旧动力蓄电池进行分类重组利用，并对梯次利用电池产品进行编码，这将会为梯级利用节省很大成本。6.应用案例退役动力电池可以梯级利用到通信基站、储能、低速车、路灯等多个领域，但鉴于成本、安全等多重因素，目前真正有一定规模应用的仅有中国铁塔的通信基站。中国铁塔于2015年开始探索动力电池回收及循环利用，先期组织9个省(市)分公司、10个厂商建设了57个试验站点，测试站点地域范围覆盖全国大部分地区、主要的基站类型。经过近两年的跟踪，测试站点运行良好，数据表明梯级电池应用于通信基站领域具有良好的可行性。在前期试点基础上，于2017年6月启动更大规模试点，陆续在广东、福建、浙江、上海、河南、黑龙江、辽宁、山东、天津、山西、四川、云南12个省(直辖市)11000多个站址开展梯级电池替换现有铅酸蓄电池的试点。2018年年初铁塔公司