退役动力电池作为储能系统应用的探讨＊

2020-11-28高明飞李红宇李文斌

科技与创新 2020年19期

高明飞，马科，李红宇，李文斌，李维

（1.西安航空学院，陕西西安710077；2.河南速达电动汽车科技有限公司，河南三门峡472000）

1 前言

近些年来，中国的电动汽车发展很快。由于国家政策上的支持，电动汽车的市场保有量增长非常迅速。2013年，电动汽车的销量不足2 万辆，但是到了2018年，销量超过了100 万辆。目前，中国已经成为新能源汽车的生产和消费大国，电动汽车的市场也已经逐渐成熟起来。对于电动汽车，其对动力蓄电池性能要求较高，在使用了若干年后，性能会逐渐下降，容量逐渐衰减。当锂离子电池的容量低于某一个值时（通常为初始容量的80%），就不能满足电动车使用要求，就必须退役下来。

随着电动汽车的快速发展，政府和企业都意识到能否解决好退役动力电池的回收及利用对于电动汽车发展的重要性。早在2012年，国务院已经发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》[1]，在这个规划里，对中国新能源汽车的发展指明了方向。在规划里，指出了要制定和建立动力电池回收利用的管理办法以及梯级利用和回收管理体系，鼓励发展专业化的电池回收利用企业。严格设定动力电池回收利用企业的准入条件，明确动力电池收集存储、运输、处理、再生利用及最终处置等各环节的技术标准和管理。

事实上，退役动力电池并没有完全报废，仍然具有储电的功能。对于很多退役的电池，可以满足其他的性能要求较低的应用领域。因此，可以发挥退役电池储电功能，充分利用蓄电池的使用价值，实现效益的最大化，可以极大地降低新能源汽车产业链的成本。

目前，对退役动力电池的处理方式主要有无害化报废拆解和梯次利用两种[2]。如果对退役电池先进行梯次利用，然后再进行拆解以及无害化处理，可以最大程度地发挥电池的利用价值。

2 现状与发展趋势

国内外对于退役电池的梯次利用展开了大量的研究，尤其是对于储能系统的应用方面进行了深入探索。储能系统作为退役电池的一个重要的应用方向，包括商业储能和家庭储能。在商用领域，可以作为通信基站的备用电源，在家庭储能方面，可以作为家庭储能的备用电源。

由于电池容量的衰减不是一个均匀的过程，对于新电池，开始使用时，容量的衰减比较慢，当反复充放电多次以后，容量的衰减加快。当容量降低为80%以下时，电池容量的衰减比较迅速。如果电池在小电流、常温下工作，电池的实际寿命可以得到延长。因此，对于退役动力电池，能在较好的使用环境条件下进行使用，可以提升电池的使用价值。而储能系统通常不需要频繁地充放电，使用条件要比电动汽车要好，比较适合作为退役电池的进一步利用场地。

目前，国内外在退役电池的储能利用方面的研究与应用方面取得了一定进展，目前有三个方面的应用：①作为备用电源。中国铁塔公司用退役电池作为通信基站备用电源，目前已经具备一定的规模。目前在全国大约有12 万个基站使用退役电池，总容量大约为1.5 GW·h，这些电池主要是替代原有的铅酸电池。如果现有的基站全部更换，大约可以容纳200 万辆电动汽车的退役电池。②进行电网储能。国家电网已经在北京大兴和张北建设了电池储能系统示范工程。国家电网河南公司联合了相关生产企业建成梯次利用储能示范工程[3]。这些示范工程的建立，为退役动力电池的分选、重组到储能利用提供了一个规范化的流程，为进一步的应用打下了基础。③应用到低速车领域。例如，国家电网浙江公司等企业探索将梯次利用电池应用于电动自行车或低速车领域，无锡格林美与顺丰公司合作研究城市物流车等。

3 储能利用的技术问题

在经过了比较长时间的使用后，在退役时，动力电池在性能上明显会出现衰退。因此，为了保证安全，首先要对退役的动力电池能否被梯次利用进行技术上的判断。

从技术的角度来看，需要考虑以下几个问题：①电池的安全性。退役电池由于经过了长时间的使用，内部的物理化学结构可能存在缺陷和隐患。如果在使用过程中，受到外部的条件的诱发，可能会出现安全事故。对于退役动力电池，目前还没有比较成熟的安全性评估方法，一般可以按照这样的步骤来实施[4]，即对电池进行外观的检查和测试，通过观察，确定其是不是存在极耳断裂、鼓胀等物理缺陷；其次，如果外观检查没有明显物理缺陷，根据动力电池相关标准进行抽样分析，分析主要是检测电池在极限条件下的状态；最后，对不同状态的退役电池，利用抽样分析的方式，分析其自产热起始温度、热失控引发温度等特性。②退役电池的状态。评估电池当前的容量（SOH）、内阻等参量。同时，对于退役电池，还要考虑电池在梯次利用阶段时，性能不断发生变化，需要对容量的衰退趋势进行初步的预测，进而判断电池的剩余寿命。

对于退役的动力电池，一部分电池在车载使用阶段具有完整的运行数据的记录，对这类电池，可以通过记录的数据进行分析，评估电池的剩余容量、内阻等当前状态。同时，还可以根据电池在使用过程中存在的过充电、过放电等非正常使用的情况，同时考虑退役时电池的物理外观，例如是否有鼓胀来判断电池的安全状态。根据电池在使用过程中充放电的参数变化规律预测电池的衰减趋势。

还有一部分退役动力电池，在车载使用阶段，其运行数据记录不完整或者缺失，这类电池状态比较难估计。目前采用的一种方法是通过对电池模块进行若干次完整的充放电，在充放电过程中记录电压、温度的变化情况，分析各个单体电池之间的一致性；然后采用抽样检测的方法，对电池抽样分析，主要是测试电池在不正常或者滥用条件下的安全性能，以及测试储能工况下的衰退特性。这种方法能比较准确地判断电池的容量、内阻等，同时还能判断出单体电池之间的状态差异；另外一种方法是选取几个可快速测量的电池特征参量，通过对这些参量的快速评测来诊断电池的状态。

从安全性角度来看，电池内部的安全隐患一般具有隐蔽性强的特点，无论采用什么方法，都不能准确地判断出电池内部的安全隐患；同时，由于退役电池的使用情况千差万别，还需要对电池的充放电倍率、环境温度、充放电的深度以及充放电温度等使用条件对电池性能的影响进行判断。

4 在储能系统中的应用

退役动力电池在储能领域的应用主要涉及到家庭和商业储能。国外已经都取得了一定的进展，国内目前主要应用在商业领域。

在商业储能方面，由于涉及到的设备功率较大，需要大量的电池堆砌。同时为了保证供电的稳定性，要求电池的性能状态比较稳定，对于电池的一致性要求较高。因此，对于商业储能领域，在技术上，对退役电池新性能的状态检测技术的进步具有较高的依赖性。能否在商业领域大规模的推广应用，很大程度取决于电池在车载运行阶段的运行记录以及后期的检测及预测。因此，为了实现商用领域的大规模应用，需要对电动车在车载运行阶段的运行数据进行检测。新能源汽车企业以及国家相关部门有必要从技术上和制度上对电动车的技术和使用进行规范，这样更加有利于退役电池在商用领域的大规模推广。

在家庭储能领域，目前中国的民用电价较低，因此家用储能经济型较差。因此，在家用储能领域，更多的是作为备用电源。中国的城市电网比较稳定，通常停电时间较短，对于备用电源的要求主要体现在电池的安全性能上。因此，对于家用储能领域，更多的是考虑备用电源的安全性的评估，而对电池的容量的需求不高。

同时，对于风能、太阳能资源比较丰富的地区，可以利用风能或者太阳能发电储能。对于一些放牧地区，在牲畜转场中，缺少必要的供电设施，可以利用风能、太阳能发电，利用退役电池进行储能，解决转场过程中的用电问题。