動力電池梯次利用簡述

1、.動力電池梯次利用簡述1.概述從電動汽車上退役的動力電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壽命，目前主要有兩種可行的處理方法：其一是梯次利用，即將退役的動力電池用在儲能等其他領(lǐng)域作為電能的載體使用，從而充分發(fā)揮剩余價值；其二是拆解回收，即將退役電池進(jìn)行放電和拆解，提煉原材料，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。經(jīng)過幾年的研究探索和試點(diǎn)示范，我國動力電池梯級利用應(yīng)用領(lǐng)域已集中在電力系統(tǒng)儲能、通信基站備用電源、低速電動車以及小型分布式家庭儲能、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、移動充電車、電動叉車等其他相關(guān)領(lǐng)域。2.政策國家積極鼓勵動力電池梯級利用，但是暫未建立起完善動力電池梯級利用政策體系。節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)

2、業(yè)發(fā)展規(guī)劃(20122020年)，提出建立動力電池梯級利用管理體系。2016年1月，電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策發(fā)布，國家明確提出要鼓勵先梯級利用后再生利用，并且支持企業(yè)開展梯級利用，不斷技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新。2016年2月份，工信部發(fā)布新能源汽車廢舊動力蓄電池梯級利用行業(yè)規(guī)范條件和名單管理暫行辦法。2018年1月出臺的新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法中明確國家鼓勵開展動力電池梯級利用，綜合利用企業(yè)應(yīng)符合新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件（工業(yè)和信息化部公告2016年第6號）的規(guī)模、裝備和工藝等要求，鼓勵采用先進(jìn)適用的技術(shù)工藝及裝備，開展梯次利用和再生利用。梯次利用企業(yè)應(yīng)遵循

3、國家有關(guān)政策及標(biāo)準(zhǔn)等要求，按照汽車生產(chǎn)企業(yè)提供的拆解技術(shù)信息，對廢舊動力蓄電池進(jìn)行分類重組利用，并對梯次利用電池產(chǎn)品進(jìn)行編碼。梯次利用企業(yè)應(yīng)回收梯次利用電池產(chǎn)品生產(chǎn)、檢測、使用等過程中產(chǎn)生的廢舊動力蓄電池，集中貯存并移交至再生利用企業(yè)。再生利用企業(yè)應(yīng)遵循國家有關(guān)政策及標(biāo)準(zhǔn)等要求，按照汽車生產(chǎn)企業(yè)提供的拆解技術(shù)信息規(guī)范拆解，開展再生利用。精品.2018年2月發(fā)布的新能源汽車動力蓄電池回收利用試點(diǎn)實(shí)施方案明確在京津冀、長三角、珠三角、中部區(qū)域等選擇部分地區(qū)，開展新能源汽車動力蓄電池回收利用試點(diǎn)工作，以試點(diǎn)地區(qū)為中心，向周邊區(qū)域輻射。支持中國鐵塔公司等企業(yè)結(jié)合各地區(qū)試點(diǎn)工作，充分發(fā)揮企業(yè)自身優(yōu)勢，開

4、展動力蓄電池梯次利用示范工程建設(shè)。2018年7月發(fā)布的關(guān)于做好新能源汽車動力蓄電池回收利用試點(diǎn)工作的通知，要求車企對動力電池回收負(fù)主要責(zé)任，要求車企建立回收服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)，充分發(fā)揮現(xiàn)有售后服務(wù)渠道優(yōu)勢，與電池生產(chǎn)、報(bào)廢汽車回收拆解及綜合利用企業(yè)合作構(gòu)建區(qū)域化回收利用體系。目前，各大車企已經(jīng)紛紛著手建設(shè)動力電池回收網(wǎng)點(diǎn)，工信部新能源汽車動力蓄電池回收服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)信息公示系統(tǒng)顯示，全國已經(jīng)有3500個動力電池回收網(wǎng)點(diǎn)。2018年7月工業(yè)和信息化部正式發(fā)布新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定，要求建立“新能源汽車國家監(jiān)測與動力蓄電池回收利用溯源綜合管理平臺”，對動力蓄電池生產(chǎn)、銷售、使用、報(bào)廢、回收、

5、利用等全過程進(jìn)行信息采集，對各環(huán)節(jié)主體履行回收利用責(zé)任情況實(shí)施監(jiān)測。該規(guī)定8月1日起實(shí)施。精品.2019年4月發(fā)布的工業(yè)和信息化部辦公廳 國家開發(fā)銀行辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)工業(yè)節(jié)能與綠色發(fā)展的通知中明確重點(diǎn)支持開展退役新能源汽車動力蓄電池梯級利用和再利用。3.梯級利用與拆解的選擇國家倡導(dǎo)動力電池梯級利用，但這僅是倡導(dǎo)并非強(qiáng)制，所以目前市場上對于退役動力電池的處理，直接拆解的也有，梯級利用的也有。當(dāng)前業(yè)內(nèi)對于動力電池是“梯級利用”還是“直接拆解”也存在不同意見。支持“直接拆解”的主要理由有：1、梯級利用技術(shù)不成熟；2、梯級利用過程中，安全問題不可控；3、梯級利用投入成本相當(dāng)高；4、隨著上游原材料鈷、

6、鎳價格的不斷上漲，直接拆解回收的資源規(guī)?；б孢h(yuǎn)大于梯級利用。當(dāng)前主流電動汽車動力電池主要分為磷酸鐵鋰和三元電池，磷酸鐵鋰主要用在商用車上，三元電池主要用在乘用車上。當(dāng)前主流乘用車使用三元鋰電池，安全性不好保證，梯級利用作為儲能使用面臨一定困難。但隨著鈷、鎳材料價格的高漲，直接拆解三元動力電池還具有盈利空間。對于磷酸鐵鋰電池而言，直接拆解不見得有資源規(guī)模化效益，而進(jìn)入梯級利用是重要方向。4.磷酸鐵鋰和三元鋰電池比較目前的動力電池市場，除了鉛酸電池外，鋰電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。二者在性能上存在一定差異。能量密度方面，磷酸鐵鋰電池的能量密度較三元鋰電池相差很多，磷酸鐵鋰電池單體能量密度

7、通常在90-120wh/kg之間，而三元鋰電池單體能量密度可以達(dá)到200wh/kg左右。目前新能源汽車的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)是電池包系統(tǒng)的能量密度超過1精品.05wh/kg。安全性方面，就材料體系而言，三元鋰電池正極材料的分解溫度在200左右，磷酸鐵鋰電池正極材料的分解溫度在700左右。實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境下短路磷酸鐵鋰電池單體，基本不發(fā)出現(xiàn)著火的情況，三元鋰電池則不然，在使用三元鋰電池時尤其要對熱管理提出較高的要求。對于整車電池包來講，安全措施更加完善與科學(xué)，通過bms有效對鋰電池進(jìn)行管理，電池可以工作在安全的狀態(tài)下。溫度適應(yīng)性方面，高溫與常溫放電時，磷酸鐵鋰電池相與三元鋰電池差別不大，但是低溫時候磷酸鐵鋰電

8、池比三元鋰電池要遜色，三元鋰電池優(yōu)勢明顯。電池成組一致性方面，三元鋰電池性能優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。但值得注意的是較小的儲能領(lǐng)域一致性比較容易保證，大型儲能領(lǐng)域相對難得多。如果儲能項(xiàng)目達(dá)到兆瓦時級別，相當(dāng)于幾十輛大巴車的級別，很難做到去挑選退役電池穩(wěn)定運(yùn)行，用新電池都很難做到。一個儲能電站可能會有超過15萬顆電芯，大量電芯集成的一致性甚至超過車對電池的一致性要求。充電效率方面，目前市面上較為常見的充電方式為恒流恒壓式充電。一般在充電開始時先采用恒流充電，此時的電流較大，充電效率相對更高。而在電壓達(dá)到一定數(shù)值之后，降低電流改為恒壓充電，這樣可以讓電池充的比較滿一些。在這個過程中，恒流充電容量與電池總?cè)?/p>

9、量的比值，稱為恒流比。它是衡量一組電池在充電過程中充電效率的關(guān)鍵數(shù)值。通常百分比越大說明在恒流階段充入的電量越高，也就證明該電池的充電效率更高。三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池在10c以下充電時，恒流比無明顯差距，10c以上倍率充電時，也就是大電流快充時，磷酸鐵鋰電池恒流比例迅速降低，充電效率迅速降低。精品.使用壽命方面，三元鋰電池理論完成2000次充放電循環(huán)后電池容量衰減到80%，但在實(shí)際使用中，當(dāng)進(jìn)行900次的充放電循環(huán)后，電池容量就基本衰減到了55%。但如果每次電池充放電都控制在0%-50%或者25%-75%的循環(huán)中工作，即使經(jīng)過3000次的充放電循環(huán)，電池容量基本還能能夠保持在70%左右，但這

10、需要非常優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)（bms）。磷酸鐵鋰電池：磷酸鐵鋰電池即便是經(jīng)過3000次0-100%的充放電使用，容量也才會衰減到80%，所以磷酸鐵鋰電池的電池管理系統(tǒng)就沒那么復(fù)雜。5.梯級利用的關(guān)鍵技術(shù)對于退役的動力電池，并不是簡單組合起來就能用，目前以pack(電池包，即多級串并聯(lián)電池構(gòu)成模組)+bms(電池管理系統(tǒng))為主的梯次利用技術(shù)是較為主流的選擇。退役動力電池的梯次利用通常包括以下步驟：(1)電池回收；(2)電池組拆解獲得電池單體；(3)篩選出可使用的電池單體；(4)電池單體配對重組成電池組；(5)系統(tǒng)集成與運(yùn)行維護(hù)。檢測和篩選環(huán)節(jié)是梯次利用的關(guān)鍵。由于回收動力電池的不一致性，進(jìn)行梯次利

11、用時需要對其的剩余使用價值和健康狀態(tài)進(jìn)行大量的檢測，對于使用情況類似、可以成組的電池進(jìn)行篩選。此外，在電池一次使用期間，bms 檢測系統(tǒng)能夠記錄較為完整的充放電運(yùn)行數(shù)據(jù)，有助于在其退役時準(zhǔn)確評估其剩余工作量，降低退役電池檢測成本。檢測篩選環(huán)節(jié)需要綜合應(yīng)用軟件技術(shù)、測控技術(shù)、制程工藝等，涉及光、機(jī)、電等跨行業(yè)多學(xué)科技術(shù)，技術(shù)門檻非常高，另外由于最早迎來報(bào)廢期的一批電池在設(shè)計(jì)之初就沒有考慮到報(bào)廢后梯次利用的問題，動力電池存在尺寸不統(tǒng)一，型號參差不齊，編碼、記錄不完善等問題，動力電池全生命周期也無法追溯，導(dǎo)致電池梯次利用存在較大安全風(fēng)險。目前國內(nèi)正處于起步階段，如先導(dǎo)智能的子公司泰坦新動力、星云股份

12、是國內(nèi)鋰電檢測領(lǐng)域的龍頭。精品.系統(tǒng)集成（pack）環(huán)節(jié)所面臨的也是不同類型的電芯集成。pack工序分為加工、組裝、包裝三大部分，其核心是將多個單一的電芯通過機(jī)械結(jié)構(gòu)串聯(lián)和并聯(lián)起來形成電池包。動力鋰電池電芯包括軟包、鋼殼/鋁殼方體、圓柱形等，種類繁多，尺寸不一，且各類電芯標(biāo)稱容量、開路電壓、電阻及電梯各異。具體操作過程中由于需要考慮整個電池包的機(jī)械強(qiáng)度、系統(tǒng)匹配等問題，需要涉及熱管理、電流控制與檢測、模組拼裝設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)虛擬開發(fā)等大量的成熟技術(shù)相互交叉協(xié)作，是梯次利用過程中的高門檻環(huán)節(jié)。目前集成環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化不足，自動化率較低。bms是管理系統(tǒng)、控制、顯示、通信、信息采集模組的集合，起到了銜接整

13、車、電池和整個電池系統(tǒng)的紐帶作用，bms電池管理系統(tǒng)的主要功能是智能化管理及維護(hù)各個電池單元，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并實(shí)時監(jiān)控電池狀態(tài)，從而起到保護(hù)電池使用壽命的作用。對于電池廠商而言，bms體現(xiàn)了廠商的核心技術(shù)競爭力，而對于動力電池梯次利用而言，bms則決定了再利用電池的適用范圍、壽命和整體價值。精品.另外，按照國家規(guī)定一般都是滿五年或者是跑了八萬公里或是最關(guān)鍵的指標(biāo)（額定容量）低于正常容量的80%之后要被退下來。之后最容易出現(xiàn)的問題是單體電壓的電壓差會拉得越來越大，很容易觸發(fā)內(nèi)部的bms保護(hù)導(dǎo)致車無法運(yùn)行，運(yùn)行四五年之后車上的動力電池必須要退下來。但這里邊有個時間問題，即2017年拿

14、到的退役動力電池基本上是2012年和2013年左右投運(yùn)的，當(dāng)時動力電池的制造水準(zhǔn)和現(xiàn)在是完全不一樣，電池有50%-60%可用就不錯了，報(bào)廢比例非常高，而且之前的電池管理系統(tǒng)也并不先進(jìn)。梯級利用難度很大。但是現(xiàn)在回收的動力電池基本為2014年和2015年之后生產(chǎn)的電池，質(zhì)量有了很大提升，大概80%的電池可以重新利用，并且電池管理系統(tǒng)也成熟了很多，梯級利用難度也在減小。關(guān)于一致性問題，目前做儲能的廠家提出組串分布式的概念，把整車退役的動力電池作為一個基本的儲能單元利用，最大限度保證電池組原有狀態(tài)和一致性不變，然后配上一臺中小功率的過程控制系統(tǒng)（pcs），加上合適的監(jiān)控單元構(gòu)成一個基本的儲能單元，再

15、并聯(lián)在一起，構(gòu)成一個功率不等的儲能功率系統(tǒng)。由于動力電池設(shè)計(jì)之初就考慮了一致性問題，并且配備了電池管理系統(tǒng)。退役的電池并不是損壞無法使用，而是整體容量不足，所以整套利用時一致性問題不大。因?yàn)橥艘垆囯姵氐胶笃诓荒苡茫P(guān)鍵原因就是在大電流充放電的情況下，單體電池電壓跳的非常厲害，所以使用時候一定要讓電池電流控制在0.24c以下甚至更小，這樣才能保證最高電壓差和最低電壓差控制在合理的范圍內(nèi)，延長使用壽命。精品.目前梯級利用大多是小廠家在做，將電池再用于小儲能、電動自行車/摩托車等領(lǐng)域。正規(guī)大廠家批量處理退役動力電池來梯級利用的不多。業(yè)內(nèi)的看法是，如果需要從大量報(bào)廢動力電池中去篩選、去檢測，再拿來梯級

16、利用，耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力太大，經(jīng)濟(jì)預(yù)期可能并不美好。如果電池包模塊化，把退役動力電池包中的bms數(shù)據(jù)統(tǒng)一導(dǎo)出來，直接知道電池處于什么狀態(tài)，不需要拆解就可以直接拿去梯級利用。現(xiàn)在國家在規(guī)范動力電池的尺寸，鼓勵電池包模塊化設(shè)計(jì)，新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法中也明確提到對廢舊動力蓄電池進(jìn)行分類重組利用，并對梯次利用電池產(chǎn)品進(jìn)行編碼，這將會為梯級利用節(jié)省很大成本。6.應(yīng)用案例退役動力電池可以梯級利用到通信基站、儲能、低速車、路燈等多個領(lǐng)域，但鑒于成本、安全等多重因素，目前真正有一定規(guī)模應(yīng)用的僅有中國鐵塔的通信基站。中國鐵塔于2015年開始探索動力電池回收及循環(huán)利用，先期組織9個省(市)分

17、公司、10個廠商建設(shè)了57個試驗(yàn)站點(diǎn)，測試站點(diǎn)地域范圍覆蓋全國大部分地區(qū)、主要的基站類型。經(jīng)過近兩年的跟蹤，測試站點(diǎn)運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)表明梯級電池應(yīng)用于通信基站領(lǐng)域具有良好的可行性。在前期試點(diǎn)基礎(chǔ)上，于2017年6月啟動更大規(guī)模試點(diǎn)，陸續(xù)在廣東、福建、浙江、上海、河南、黑龍江、遼寧、山東、天津、山西、四川、云南12個省(直轄市)11000多個站址開展梯級電池替換現(xiàn)有鉛酸蓄電池的試點(diǎn)。2018年年初鐵塔公司與重慶長安、比亞迪、銀隆新能源、沃特瑪、國軒高科、桑頓新能源等16家企業(yè)簽訂了新能源汽車動力電池回收利用戰(zhàn)略合作伙伴協(xié)議。目前中國鐵塔采購梯次利用鋰電池主要有三種模式：精品.一是重新組裝。即指將回

18、收的退役動力電池包拆散，對每顆鋰電芯進(jìn)行剩余容量等性能評估，根據(jù)測試結(jié)果將容量相當(dāng)?shù)匿囯姵刂匦鲁山M組裝，制作成標(biāo)準(zhǔn)的48v通信基站pack。目前，這個工作主要由電池廠和pack廠兩類企業(yè)承擔(dān)，尤其以后者居多。初步統(tǒng)計(jì)，中國鐵塔合作的電池及pack廠約達(dá)20家。二是直接組合電池模組。囿于各家整車廠細(xì)分市場、車型的不同，動力電池及pack廠對電池包的容量、大小等均有訂制化的設(shè)計(jì)。一般來說，電池模組主要分為4節(jié)、8節(jié)、12節(jié)三種類型。在鋰電池一致性較高的前提下，電池廠或pack廠會根據(jù)電池模組類型進(jìn)行直接組合，比如8+8、12+4、4+4+4等。目前這種模式以比亞迪為主導(dǎo)，除過自己承擔(dān)部分pack，

19、比亞迪也會釋放一部分電池至市場，這將由其他pack廠采購消納，然后再進(jìn)行成組售賣，中國鐵塔也是其中的顧客之一。三是整包使用。即指在采購?fù)艘蹌恿﹄姵匕笾苯邮褂?，不再拆散重組，不會組合。目前，這種模式還停留在試點(diǎn)摸索階段。阻礙原因在于：電池包的生命周期經(jīng)濟(jì)性還未能判定，基于使用壽命和更換維護(hù)成本二者的考量，中國鐵塔在該模式上還比較謹(jǐn)慎。由于國內(nèi)鋰電池尺寸不一，型號多樣，這類模式電池包的組裝要達(dá)到中國鐵塔梯次利用的場景要求，便對bms（電池管理系統(tǒng)）廠家提出較高技術(shù)要求。目前，前兩種模式已經(jīng)批量使用，第三種模式中國鐵塔也在摸索中。目前阻礙梯級利用的一大障礙是電壓不匹配。48v是通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，通信

20、基站的主設(shè)備只能接受48v的電壓。所以基站里采用的都是48v電池，成組方式通常是4個12v，也可以是2個24v，而退役動力電池是不規(guī)則的，如果硬要將32v、36v等電壓不規(guī)則的模組用于梯級利用，只有將這些模組拆解后，再將單體電芯pack成組以達(dá)到48v標(biāo)準(zhǔn)，但這種做法將導(dǎo)致成本過高且會產(chǎn)生不良率。另一種方法是，采用雙向轉(zhuǎn)換電壓的dcdc電源，充電時轉(zhuǎn)成36v充電，放電升壓到48v給基站。這種方式雖然能夠解決電壓兼容的問題，但會降低電池的可靠性，目前處于嘗試階段。退役電池模組如果能夠無縫、不用拆解地能進(jìn)到鐵塔基站，相對而言更具有可行性和經(jīng)濟(jì)性，但要首先解決輸出電壓問題。精品.目前鐵塔對于梯級電池利用比較開放，先不做篩選而直接使用，計(jì)劃等使用量達(dá)到一定規(guī)模，積累完數(shù)據(jù)后再設(shè)置門檻。而為防患問題的出現(xiàn)，其會在bms方面提出要求必須接入后臺系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問題，就能立刻發(fā)現(xiàn)進(jìn)行處理。近期，鐵塔公司又在廊坊新建立了一個新能源站梯次電池試點(diǎn)，新基站綜合運(yùn)用了“光伏、塔、機(jī)房一體化”、“動力電池梯次利用”、“削峰填谷”“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”、“分戶計(jì)量”、“大風(fēng)量節(jié)能空調(diào)”等新技術(shù)。據(jù)稱具備4大