梯次利用电池在储能电站中应用的可行性分析

于 童

（上海电力设计院有限公司，上海20025）

0 引言

当前，我国新能源和储能技术发展迅猛，为减少机动车污染物排放量，大力推动电动汽车的发展，电动汽车数量快速增长。为保障电动汽车的续驶里程和安全运行，电动汽车电池退运的条件设定在低于80%的容量。据相关部门预测，到2020年底，动力电池退役数量将达到20万t，2024年前后动力电池退役数量将达到34万t，累计将达到116万t[1-2]。

现阶段储能电池的技术性能显示，退运电池中剩余80%的容量至少还可工作数年，仍具有一定的利用价值[3-5]。将退运电池应用到电力储能，实现电池的梯次利用，可以最大化地利用资源，减少环境污染。目前，在退运电池的梯次利用上，国内外学者多偏重于理论研究，工程应用方面的研究较少。如文献[6]分析了梯次利用电池储能系统建设和运维成本、延缓配电网升级改造收益、降低网损收益及移峰填谷等方面的经济价值；文献[7]研究了基于退役动力梯次利用于光伏充电站的容量配置问题；文献[8]对梯次利用电池储能电站经济性评估方法进行了相关研究。基于此，本文对梯次利用电池在储能电站中应用的可行性进行研究。

1 梯次利用电池的技术可行性分析

退运电池应用于储能电站的可行性主要从2个方面来进行判断，一是梯次利用电池是否能安全地利用；二是该电池的梯次利用是否具有经济价值。现阶段的研究主要是，通过对退运电池的状态诊断，评估其容量、内阻等性能参数，预测其衰减趋势；通过筛选重组减少一致性差异的影响；通过配置相应的保护措施，同时进行科学的充放电控制管理，实现退运电池的安全梯次利用。目前，国内已开展多个梯次利用电池储能电站的先期探索，涵盖了新能源发电、电网侧和用户侧多个应用领域，验证了其应用的安全性。

2 梯次利用电池的经济可行性分析

2.1 储能电站全寿命周期成本分析

对于电化学储能电站工程，其全生命周期过程包括建设阶段、运行阶段和报废阶段。本文将梯次利用电池储能电站的全寿命周期成本分为投资成本、财务成本、运维成本、充电成本和回收残值5个部分，具体情况见图1。

图1储能电站全生命周期成本构成

在投资成本上，相比于新电池，梯次利用电池应用于储能电站，增加了筛选配组的成本。在充电成本上，由于梯次利用电池的剩余容量较小，导致其实际可用容量低于新电池。另外，由于梯次利用电池的一致性较差，为避免过度放电时的电压波动，需要降低其放电深度。因此，实际运行的充电成本也将增加。在运维成本上，相比于新电池，梯次利用电池在运维技术和安全保障方面的要求更高，相应的成本也将增加。

2.2 储能电站电池系统度电成本模型

储能电站度电成本是储能电站全生命周期总投资与寿命期总发电量的比值。考虑到梯次利用电池应用于储能电站与常规储能电站的成本差异主要来源于电池系统，故本文主要分析储能电站电池系统的度电成本。考虑电池的运行特性和寿命特征，本文建立的储能电站电池系统的度电成本计算模型如下

式中，LC为储能电池系统的度电成本，元/（kW·h）；k为储能电池系统的容量配置裕度；E为储能电站额定容量，kW·h；C（i）为第i项储能电池系统的成本，元/（kW·h）；e（t）为第t次循环储能系统的放电量，kW·h；DOD为储能电池系统的放电深度；λ为储能电池系统的衰减率。

2.3 算例分析

设定梯次利用电池的容量已衰退为新电池额定容量的80%，电池重新配组时存在90%的筛选率，将健康状态不符合要求的部分电池筛除。电池寿命终止边界可用容量为额定容量的55%。锂电池衰减考虑2阶段线性衰减特性，铅炭电池为全生命周期线性衰减特性，3种电池的各项指标设定见表1。

表1 3种电池指标对比表

通过本文建立的储能电站电池系统度电成本模型进行计算，得到的3种电池全生命周期放电量和度电成本见图2，其中直方图代表全生命周期放电量、折线代表度电成本。

由图2可知，在全生命周期放电量指标上，新锂电池放电量最高，约为3 446 kW·h；铅炭电池次之，约为1 396 kW·h；梯次利用电池最低，约为1 199 kW·h。在度电成本指标上，新磷酸铁锂电池最低，约为0.36元/（kW·h），铅炭电池次之，约为0.59元/（kW·h），而梯次利用磷酸铁锂电池最高，约为0.82元/（kW·h）。

图2 3种电池全生命周期放电量与度电成本对比

2.4 敏感性分析

梯次利用电池度电成本的影响因素主要包括筛选成本、购置成本和运维成本，通过对影响电池储能度电成本的3种因素敏感性分析可知，购置成本是最敏感的因素，其次是筛选成组成本，运维成本对梯次利用电池储能度电成本的影响较小。当梯次利用电池的购置成本下降40%时，其度电成本与铅炭电池的度电水平持平；当梯次利用电池的购置成本下降80%时，其度电成本与新锂电池的度电成本基本持平。因此，为降低梯次利用电池储能的度电成本，应尽可能地降低购置成本和筛选成组成本。

3 结论与建议

通过上文分析，梯次利用电池应用于储能电站在技术上和经济上都是可行的，只是电池购置成本是影响梯次利用电池度电成本的主要因素。因此，将退运电池梯次利用于储能电站时，结合梯次利用电池的性能特点，提出以下几点建议。

a）系统集成设计方面，建议采用组串式多变流器并联集成的系统方案，将不同来源的电池设计为独立的单元，配以小功率的储能变流器，形成基本的储能单元，再将多个储能基本单元集成在一起形成储能系统，最大化地发挥梯次利用电池的能力。

b）充放电管理方面，建议一方面控制梯次利用电池的放电倍率在0.2C以下；另一方面根据退运电池的实际情况对容量和放电深度进行调整，避免过度放电产生的电压波动，影响系统的安全稳定运行。

c）应用方向方面，为保证梯次利用电池应用于储能电站的安全性，建议现阶段退运电池的梯次利用以小型化的分布式储能为主要应用方向。

d）经济成本方面，梯次利用电池的高回收成本是阻碍其发挥经济效益的主要因素，因此必须不断降低其状态评估、分选重组、系统集成等过程的成本，提升在经济性上的竞争力。