廢舊動(dòng)力電池梯次利用典型場(chǎng)景與推廣應(yīng)用難點(diǎn)分析

在我國(guó)政府的大力推廣下，中國(guó)已經(jīng)多年蟬聯(lián)全球最大的新能源汽車市場(chǎng)，同時(shí)也是新能源動(dòng)力電池最大的生產(chǎn)國(guó)家。根據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)研究部發(fā)布的報(bào)告顯示，2019年我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量約62.2GWh，同比增長(zhǎng)9.3%。隨著新能源車推廣普及的程度逐步加大，未來(lái)的動(dòng)力電池將面臨大規(guī)模退役的問題。2020年，最早推廣的一批新能源車型即將退役，預(yù)計(jì)今年的退役規(guī)模將達(dá)到25GWh（約20萬(wàn)噸）。如何利用好、管理好此等規(guī)模的廢舊動(dòng)力電池，值得全社會(huì)共同思考。

1、廢舊動(dòng)力電池回收利用階段劃分

當(dāng)動(dòng)力電池不能完全滿足車用需求時(shí)，可以應(yīng)用于其他場(chǎng)景，繼續(xù)發(fā)揮其功能，做到資源利用的最大化。根據(jù)電池性能衰退程度，可將回收利用大體分為四個(gè)階段，從第一階段向下級(jí)延伸，直至完全不能滿足各場(chǎng)景的使用要求后，進(jìn)入第四階段，即再生利用環(huán)節(jié)。

第一階段的電池可應(yīng)用于對(duì)放電功率要求稍低的低速電動(dòng)車、電動(dòng)三輪車等移動(dòng)、復(fù)雜工況場(chǎng)景；第二階段的電池可應(yīng)用于電網(wǎng)等對(duì)電池性能要求較低的儲(chǔ)能場(chǎng)景；第三階段的電池主要為低端儲(chǔ)能場(chǎng)景，如家庭儲(chǔ)能、充電寶等；第四階段的電池將被再生利用，回收金屬元素。

前三個(gè)階段的動(dòng)力電池為梯次利用環(huán)節(jié)，能否提升梯次利用的經(jīng)濟(jì)性，是提升電池全生命周期價(jià)值的重中之重。

2、梯次利用電池的處理流程

首先判定其是否可整包應(yīng)用，如性能良好，并能滿足相應(yīng)場(chǎng)景要求，則整包進(jìn)入梯次利用環(huán)節(jié)。如不能整包利用，則拆解模組，分選出性能良好的模組，對(duì)其進(jìn)行重組后進(jìn)入使用環(huán)節(jié)。對(duì)不能滿足要求的模組進(jìn)一步拆分到單體，挑選能夠梯次利用的單體進(jìn)行二次重組。

3、典型梯次利用場(chǎng)景及其工況要求

梯次利用場(chǎng)景多種多樣，每種場(chǎng)景都有與之相對(duì)應(yīng)的使用要求。本文將針對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行重點(diǎn)研究，并分析廢舊動(dòng)力電池在各場(chǎng)景下的梯次利用難易程度。

3.1 通信用備用電源使用場(chǎng)景

通信基站出于安全方面的考慮，對(duì)電池材料進(jìn)行了限制，僅使用磷酸鐵鋰電池。電池分為分立式和集成式兩種，兩者的區(qū)別在于電池模塊與電池管理系統(tǒng)是否集成為一體。廢舊電池在這兩種形式的電源上均能實(shí)現(xiàn)梯次利用，對(duì)比兩種電源的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（YD/T?2344.1—2011 通信用磷酸鐵鋰電池組?第1部分：集成式電池組、YD/T 2344.2-2015 通信用磷酸鐵鋰電池組 第2部分：分立式電池組），可以看出兩者僅在循環(huán)壽命的要求上存在較大差異，其他指標(biāo)要求幾乎相同。

表1通信用備用電源相關(guān)參數(shù)

通過(guò)對(duì)比車用動(dòng)力電池和通信基站備用電源的試驗(yàn)內(nèi)容及方法，不難發(fā)現(xiàn)，車用動(dòng)力電池退役后，如果僅是剩余容量發(fā)生了變化，其他性能衰退不嚴(yán)重的情況下，只需重點(diǎn)在容量保持率、電池組一致性、深度放電等方面通過(guò)相關(guān)檢測(cè)后就能在通信基站備用電源領(lǐng)域應(yīng)用。

表2 車用和基站用電池的標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法對(duì)比

3.2 儲(chǔ)能集裝箱使用場(chǎng)景

梯次電池也可在儲(chǔ)能領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用，通?？梢杂米鰬?yīng)急能源，也可以在電網(wǎng)負(fù)荷低的時(shí)候儲(chǔ)能，在電網(wǎng)高負(fù)荷的時(shí)候輸出能量，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的功能，減輕電網(wǎng)波動(dòng)。

儲(chǔ)能集裝箱系統(tǒng)將儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system）、儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)PCS（power control system）、動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等集中于一個(gè)集裝箱內(nèi)。

典型的40英尺（12192mm×2438mm×2896mm）集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)方案主要包括4個(gè)部分：儲(chǔ)能變流器PCS、梯次電池組、主動(dòng)均衡電池管理系統(tǒng)BMS和電池柜，同時(shí)配備動(dòng)力環(huán)境控制系統(tǒng)及消防系統(tǒng)。

由于集裝箱尺寸較大，因此該場(chǎng)景下推薦對(duì)廢舊動(dòng)力電池進(jìn)行整包利用，減小電池拆包重組成本。同時(shí)，如果將該系統(tǒng)布置在工業(yè)園區(qū)等露天面積較大的場(chǎng)地，可以在屋頂配合光伏板發(fā)電，進(jìn)一步提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。企業(yè)自行搭建的儲(chǔ)能集裝箱往往難以接入國(guó)家電網(wǎng)，組建園區(qū)內(nèi)的電力微網(wǎng)是最為實(shí)際的方案。若儲(chǔ)能規(guī)模較小，可優(yōu)先通過(guò)充電樁為新能源車充電；若儲(chǔ)能規(guī)模較大，可考慮為辦公樓等其他用電場(chǎng)所提供電力。

3.3 低速車使用場(chǎng)景

低速電動(dòng)車涵蓋電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)三輪車、低速電動(dòng)汽車等多種場(chǎng)景。

針對(duì)快遞公司所使用的電動(dòng)三輪車，部分公司開展了梯次電池租賃模式的示范推廣。電池的產(chǎn)權(quán)歸屬于梯次利用企業(yè)，快遞公司付費(fèi)租用，后期的電池維修、更換也由梯次利用企業(yè)負(fù)責(zé)。這種商業(yè)模式可以帶來(lái)以下的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①可以平衡快遞公司單次采購(gòu)大批量電池帶來(lái)的成本壓力；②電池的電量使用完畢后，通常放置在充電柜中進(jìn)行充電，充電條件溫和，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命；③梯次利用使用之后還可以將電池有效回收，進(jìn)入再生利用環(huán)節(jié)，避免電池造成環(huán)境污染。

按照《四輪低速電動(dòng)車技術(shù)條件》（草案）要求，低速電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池在安全、電性能及循環(huán)壽命3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方面的要求均引用新能源車用動(dòng)力電池對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，車用梯次動(dòng)力電池在低速車領(lǐng)域的適應(yīng)性較高。

表3 低速電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的性能要求

3.4 AGV小車使用場(chǎng)景

AGV(Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱AGV)小車指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車，工業(yè)應(yīng)用中不需駕駛員的搬運(yùn)車，以蓄電池為其動(dòng)力來(lái)源。

AGV小車的工況特點(diǎn)如下：固定路線、淺充淺放、使用條件溫和。目前，AGV小車通常使用的電池仍是鉛酸電池，若改用退役的動(dòng)力電池可提升其工作性能。因此，可利用梯次動(dòng)力電池對(duì)原有鉛酸電池進(jìn)行替換。

表4 AGV小車用鉛酸電池和梯次鋰離子電池性能對(duì)比

4、動(dòng)力電池梯次利用難點(diǎn)

動(dòng)力電池的梯次利用面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其在經(jīng)濟(jì)性、安全性方面的難題制約著該產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

4.1 拆解利用，成本高昂

每家整車企業(yè)的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)均不相同，無(wú)法采用同一套拆解流水線，導(dǎo)致電池拆解時(shí)極為不便，自動(dòng)化程度極低。

廢舊動(dòng)力電池在拆解進(jìn)行梯次利用時(shí)，必須經(jīng)過(guò)多道工藝流程，包括品質(zhì)檢測(cè)、安全性評(píng)估、循環(huán)壽命測(cè)試等，再將電芯分選分級(jí)、重組后才可以實(shí)現(xiàn)梯次利用。整個(gè)處理的過(guò)程耗時(shí)耗力，成本居高不下。

4.2 梯次電池的安全性需要重視

退役動(dòng)力電池經(jīng)歷了嚴(yán)酷的車用使用環(huán)節(jié)，各方面的性能衰退難以直接判別，尤其是電池的安全問題應(yīng)當(dāng)引起行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。隨著電池循環(huán)壽命的增加，起火、自燃等隱患大幅上升。對(duì)于新電池的安全標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法已經(jīng)很完備，但對(duì)于梯次電池的安全性，目前沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可以參考。部分企業(yè)提出利用大數(shù)據(jù)的方式判斷電池模組的健康情況，這種方式可否單獨(dú)使用還是作為人工篩選的輔助手段需要進(jìn)一步研究。

同時(shí)，梯次電池的使用場(chǎng)景缺乏管控。哪些場(chǎng)景下可以使用梯次電池，哪些場(chǎng)景禁止使用梯次電池沒有相應(yīng)要求；在梯次電池的應(yīng)用中，如何應(yīng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控、出現(xiàn)事故后責(zé)任如何判斷都是行業(yè)監(jiān)管的空白地帶。

5、動(dòng)力電池梯次利用任重道遠(yuǎn)

廢舊動(dòng)力電池的梯次利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展任重道遠(yuǎn)。通過(guò)以上內(nèi)容的研究，可以看出，廢舊動(dòng)力電池梯次利用可以實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化，符合綠色、循環(huán)、可持續(xù)的發(fā)展理念。其使用場(chǎng)景豐富，市場(chǎng)空間巨大，在利用得當(dāng)?shù)那疤嵯拢梢詣?chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但該產(chǎn)業(yè)也面臨著經(jīng)濟(jì)性、安全性的雙重考驗(yàn)，只有突破這兩大瓶頸，才能迎來(lái)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。