李剑铎：退役动力电池储能梯次利用有突破

2017年8月25-26日，由江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办的首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会，在无锡召开。演讲嘉宾中，煦达科技（中恒电气控股子公司）总经理李剑铎博士于26日上午分享了其团队在退役动力电池储能梯次利用方面取得的突破性进展。浙商证券电力设备与新能源研究团队（郑丹丹团队）友情辑录如下。

 

郑丹丹（浙商证券电力设备与新能源行业首席研究员）：

 

各位来宾，早安。我是来自浙商证券研究所的郑丹丹，非常荣幸为大家主持今天上午的活动。很感谢中国化学与物理行业协会储能应用分会各位工作人员的精心组织，在不久前苏州一别以后，我们今天相聚在无锡太湖之滨，共话储能产业的发展。

 

 

郑丹丹：过去四年，在中国，新能源车产业开启了爆发式增长，截至2016年年底，中国新能源车的保有量已经突破了100万辆，位居全球第一。随着时间的推移，越来越多的退役动力电池将逐步涌入市场，对于梯次利用的研究与实践已经摆上了议事日程。接下来，我们很荣幸地邀请中恒电气子公司煦达新能源总经理李剑铎博士，分享他们在梯次利用方面的经验，有请！

 

 

李剑铎（上海煦达新能源科技有限公司总经理）：

 

大家上午好！我是中恒电气-上海煦达新能源科技有限公司的总经理李剑铎，很高兴与大家一起分享关于我们在用户侧储能系统方案设计方面的经验。

 

今天我报告的主题是《退役动力电池储能梯次利用解决方案及实例分析》。首先说几句题外话：近两年在绿色环保的时代背景下，电动车步入快速发展期，每年都以几十万辆的新增体量投向市场，所以退役动力电池梯次利用也逐渐成为行业热点。

 

关于退役电动汽车电池梯次利用如何实现，业内是有很多争议的，从个人角度，我认为：首先，当前新能源汽车大规模地投入市场，未来3-5年一定会有大批量的退役动力电池出现，这种退役锂电池不像以前的铅酸电池使用完之后完全没有利用价值，一般还有60%-80%的剩余容量，如果可以通过比较好的技术手段把它们利用起来，会是很好的产业方向。

 

其次，关于储能系统，大家谈论了各种功能和应用模式，核心的问题就是成本。储能的系统成本始终居高不下，老早以前至少4元/Wh，没有任何经济性。最近两年随着新能源车的发展，动力锂电池的大幅降价使储能系统成本也大幅下降，现在一个集装箱储能平均成本在2元/Wh左右。即使这样，商业化的储能电站也要运行十年以上的时间才能收回成本。十年后的电池是否还能用？这是一个很大的问题，对客户基本没有吸引力。

 

既然市场上存在这么大批量的退役动力电池，同时储能系统又需要低成本的解决方案，我们可以考虑把两者结合起来用在储能系统中，使储能市场有更好的发展。退役电池梯次利用的确会面临很多技术问题，但也因此显得更有价值。个人认为，市场的驱动力是退役电池梯次利用最主要的因素，煦达新能源在近一两年也做了一些尝试，并取得一些成绩，今天正好借这个机会与大家分享一下。

 

我今天报告的内容包括：一，简单介绍一下煦达新能源的产品；二，讨论一下退役动力电池的市场；三，就煦达新能源如何将退役电池用在静态的储能系统中，尤其是用在削峰填谷方面及如何解决退役电池一致性等问题进行详细阐述；四，案例介绍和经济性分析；最后是报告总结。

 

煦达新能源成立于2011年，从2012年开始做储能，是国内最早一批开始做储能的公司。煦达新能源的母公司是中恒电气股份有限公司，2016年正式开始对煦达进行控股。中恒电气本身在国内做电源，是各种通信电源、电力操作电源的国内领先厂商，而煦达新能源公司业务主要分为国内和国外两大块。国外主要做户用储能，今年年初通过和国内某个著名的能源商合作，在欧洲推出了一系列新的户用储能产品，市场反应非常好，3月份开始量产，5月份开始到德国当地进行安装，到目前为止我们已经出了1000套，我相信这个数字在国内来说应该是第一位的，在德国也会进到前五名。

 

 

现在，我们正式进入到退役动力电池市场当中。这个市场容量有多大？想必大家都很清楚。2015年电动车产量接近38万辆，2016年产量超过50万辆，预计到2020年产销200万辆，我相信届时总保有量很容易达到500万辆。随着大家对环境污染、碳排放等问题越来越重视，对于退役动力电池进行梯次利用，已经成了必然趋势。

 

前几天我曾去某个电池PACK厂参观，非常壮观。这家厂一个月内从汽车厂接到了8万套的电池订单，开足马力每个月交1万套，这在以前是难以想象的。通常情况下，因为车不同，退役动力电池会有不同的容量等级。基本上乘用车电池容量为20-70度电：最小的有油电混合动力，十几度电；中巴车80-120度电；以前大巴车的容量顶峰是200度电左右，现在做到了250度电。由此，可以估算出每年动力电池的市场容量。按照国家规定，电动车满五年或行驶到达八万公里，电池额定容量低于正常容量的80%，都要被退下来。而且当电动车运行几年之后，最容易出现的问题是单体电压差会越来越大，从而触发内部的BMS保护，导致车无法运行，这从技术上来说是一个必然现象。运行四、五年之后，车上的动力电池必须更换下来，由于换下来的电池一般本身还有70%-80%的额定容量，这就是我们要利用的空间。

 

 

退役下来的动力电池到底有多少可以利用？报废率10%是完全不能用的，维护类占10%，可用类占80%。针对这个数字着重解释一下：目前来看比较乐观，因为我们现在（编者注：2017年）拿到的退役动力电池基本上是2012年、2013年投运的，当时动力电池的制造水准不能和现在相比，那些电池能有50%-60%可继续使用就不错了，剩下30%直接报废，还有10%-20%可以进行简单维修再继续使用。但是2014年、2015年及以后的动力电池，质量比以前有明显提升，我看过的很多动力电池PACK厂商，采用自动化生产工艺加上更严谨的设计方式，无论是接线、电芯还是BMS，整个技术水准比以前都有很大提升。我相信，在这种情况下，这些动力电池退下来之后完全可以被再利用。这里的80%是比较乐观的估计，保守估计是60%-70%。毕竟基数很大，哪怕只有30%-40%的退役电池可被利用，市场空间都是很大的。

 

 

退役电池到底如何使用？这是最关键的问题。首先，技术上要解决退役电池老生常谈的一致性问题。对我们做储能或光伏的人来说，其实有一个很明显的答案——组串分布式。

 

现在大中型储能基本上都是集中式，一兆瓦时电池分成很多支路并联到一起，接到500千瓦的储能逆变器上。这种利用方式对于新电池来说没有任何问题，但是对于退役电池肯定不行。从不同车上拆出来的电池良莠不齐，参数完全不一样，把他们并联在一起会出很多问题，一致性无法保证。所以，在这种情况下，我们提出组串分布式：以一辆车上拆下来的一套退役动力电池作为一个基本的储能单元电池组，配上一台中小功率的PCS再加上合适的监控单元，构成一个基本的储能单元，然后并联在一起构成一个功率不等的中大型储能系统。

 

很多人会问，这种方式到底行不行，可不可以用？做过光伏的人会非常清楚，这种方式是完全可行的。几年前，做大型光伏电站的厂商基本都用大容量光伏逆变器。后来，华为进入市场，拿20kW的光伏组串式逆变器拼500kW的光伏逆变器，一个1MW的光伏电站，传统情况下是用2台500kW的光伏逆变器，华为用50台20KW的光伏逆变器，当时很多人担心出现多机并联等各种各样的问题，确实有一些问题，但都解决了，关键是通过组串式解决方案最大化地发挥了每一块太阳能面板本身的发电优势。大家可以看到，整个市场上现在组串式解决方案和集中式解决方案基本上各占半壁江山。同样的道理，我们可以把这种理念借鉴到储能系统中。

 

面对这么多储能电池，我们当然是尽量对其细化管理比较好，所以组串分布式会是我们做梯次利用的核心要点。将一辆车上的电池串联在一起，配上一个PCS，坚决做串联不做并联，通过这一台逆变器对这组串联电池进行合理的控制，可以最大化地保证电池的一致性。所以我们这里画一张图，基本的储能单元就是一台PCS配上一个储能单元监控系统，这个储能单元监控系统需要和BMS连接，然后和EMS联系，同时和PCS进行通讯，现在我们已经把储能单元系统集成到PCS内部，所以不需要额外的空间。

 

现在我们是按照两种方式来做的，应该说推出了两种主要产品：一个功率小点，另一个功率大点。其实这对我们来说无所谓，因为都是组串式的方案，基本上都是100-150度电为一个系统单元，涵盖了现在市场上绝大部分的电动汽车退役电池，我估计未来两三年内要增加到200度电。大量的电动大巴的电池会退下来，200度电要配到30-40kW的逆变器，基本上是1:5、1:6的样子，功率和能量的高比例是我要谈的重点。为什么可以保证退役电池可以长时间长寿命的使用？来看左下角这张图，20千瓦120度电、130度电的储能系统，右图就是1.1MWh左右的梯次利用储能系统，这张图包括了9套20kW逆变器，一共是180kW/1MWh左右的容量。

 

 

对比传统的梯次利用方法，这里要强调的是整个梯次利用解决方案设计核心——降低成本。很多人研究动力电池都要研究动力电池的拆解，这应该是最后环节。电池不能用了再拆解，最多的方法还是要直接利用，把电动大巴上的退役电池拆下来之后直接利用，配上一些合适的控制策略就构成了基本储能单元。我们的流程相对于传统做梯次利用的方法已经简化了很多步。退役电池一般价格低廉，只需要再配一些PCS控制系统和集装箱就可以，相对于新的锂离子电池来说，成本至少要便宜一半。这样就具有很大操作性了，最后我会让大家看到一个投资回报性真实的计算。

 

这里有两个比较关键的问题：首先讨论，如何解决一致性的问题？刚才我说用组串式的方式，只串联不并联；另外大家要清楚，退役电池不是故障电池。里面有故障可以退给电池厂商维修或更换单个电芯，退役电池其实就是因为运行了五六年之后整体容量不足。一辆车上的电池退下来，本身的整体容量还是不错的，退一万步讲，如果真的是退下来之后电池里面有故障，检测之后会显示出哪个单体电池电芯有问题，我们可以把它用在静态储能系统中。储能运行范围非常宽，中间不行取出一两个来甚至几个，有的时候取出一个包来，对整体容量又有影响什么呢？反正原来就是要淘汰的，没什么价值，能用起来最好，所以从这个角度考虑，完全是可以解决一致性问题的。

 

接着讨论，如何保障电池安全和可靠的长时间使用寿命？我概括为：浅充浅放的运行策略。对待退役电池使用的时候，就应该把它当成铅酸类电池来用。刚才大家可以看到于总（编者注：南都电源的于建华先生）介绍铅炭电池的时候有一个很重要的数据，他们所配储能系统的功率和容量比基本上都是1:8，750kW的PCS配上6MWh的电池。退役锂电池有同样的问题，因为退役锂电池到后期不能用的关键原因，就是在大电流充放电的情况下，单体电池电压跳得非常厉害，所以一定要让退役电池在使用时，把放电倍率控制在0.2C以下。这意味着退役电池在使用的时候有很多局限性，调频是不能用的，甚至做离网我都不建议用，为什么？做离网的时候，储能系统功率是由负载决定的，而负载多大是没人控制得了的；只有做并网的时候，以一个固定功率充放电，才方便对储能系统进行管理。一个核心是0.2C以下，越小越好。

 

另外一个参数就是DOD，全新的锂电池一般都是在10%到100%之间，退役锂电池肯定不行。右下方的数字是拿一套包含一百多个电芯的退役电池做的测试，红色是最高单体电池电芯电压，蓝色是最低电芯电压，在小电流充放时，电压差控制都很稳，一般不会超过20毫伏，这种情况下可以保证长时间的使用寿命。请注意，3.45安的时候，红的线突然飙升到3.6伏，而蓝色的基本上变化不大，这是什么问题？这就是因为DOD控制得不好，还是原来的电动车上使用的DOD控制。到临界点时，因为备用电池毕竟是老化的，从电器角度来看，电力电压飙升特别快，触发了单体电压差保护，导致整个系统要停下来。在这种情况下，最高的充电电压其实也就是和我们最早的运行SOC相匹配，一定要控制住，一定要比原来的动力电车更小才可以。这两种技术条件加在一起才可以保证这套系统长期稳定运行。大家看右下角充电的图，这是真实运行情况，大功率充电还是不错的。我们做的这套系统是从一辆16米电动车上拆下来的，原来容量140度电，单体电芯容量360Ah左右，放了四、五年之后只剩下320Ah左右。我们对它最大的充电电流是40A，也就是八分之一，与铅酸铅炭电池使用条件是一样的，所以才能保证最高电压和最低电压的电压差控制在非常合理的范围内。这是保证退役电池梯次利用非常关键的技术点。

 

下面分享一下我们的案例。这张图很简单，就是谷期充峰值放，所有储能系统中用户最典型的应用模式。这是在常州开始试运行的系统，这是内部图，大家可以看到，都是直接从电动汽车大巴上拆下来的退役电池，基本上原封不动搬过来的，很多外面壳子上还有铁锈，右侧是9套PCS,180kW/1MWh的系统，右下角是外观，右上角是监控系统。我们现在给客户提供的项目质保一般是五年，其实我觉得这种运行方式八年问题不大，好像大水池一样，拿一根小水管充放，对水池影响不大的。

 

 

接着看我们为上海某个工业园区一家企业做的商业式储能系统，直接把一套20千瓦、120度电左右的系统装到客户的公司里面，给公司提供削峰填谷服务。

 

来看运行一天的真实案例：谷时充电112度，因为本身（系统容量）120度电，我们不会充满只会充90%，共花费32.116元，峰时、平时共放电99.6度电。我们的这个客户是典型的商业用户，白天的负荷量很大尤其在上海，那会特别热，所有空调白天全部开起来，可是下班之后晚上没人了。峰值电价包括两部分：早上8点到12点，以及晚上6点到10点。有的地区可能有点差异，但是大体如此。如果我们只放白天上午峰值部分，电是放不完的，因为晚上基本上没人用。但同时，我们有需量管理，衡量用户一天24小时最大功率不要超标。因此，我们要在下午放很多电出来。在实际应用中，碰到不同的问题，很多时候跟客户类型有关。在本案中，每天峰谷电价净收益达到了68.5元，一年收益大概是2.19万元左右。

 

除此之外，还有需量电费收益。正常情况下客户最高需量申请要到70千瓦。安装20kW/120kWh的储能系统后，我们帮助把他们的需量申请降到60千瓦。为什么我们只申请减少10千瓦的需量？这是因为，储能系统在运行的时候，电池电压是要下降的，而电流是固定的，所以电流输出功率基本上是减少的。为了保险起见，20千瓦的输出功率按照50%来算，每个月减少10千瓦，每年节约5040元。我们按照120度电、一套系统1元/Wh的成本估算，大概4.45年收回投资成本，而且是按照一年运行320天来算的。我们不只是理论上的，而是要把所有的情况算出来。

 

接着看我们记录日储能系统的报表，这个报表完全可以套用到1MWh的系统，1MWh就是由9套系统弄出来的，从这里可以看到投资回报性是非常好的。这里估算的系统成本是1元/Wh，明年可能是0.8元/Wh，后年可能是0.6元/Wh，这便谈到了电动汽车退役电池梯次利用的最重要问题——成本。我们之所以做梯次利用储能，最终还是为了在成本和投资回报年限方面，对用户有一个真正的交代。

 

这就是煦达新能源现在做的模式。有了这套方案，我们除了自己投资建设以外，也可以引入外部合作。如果大家有项目资源或者有资金资源，都可以跟我们谈。我们今年下半年开始发力，明年会得多一些。谢谢！

 

郑丹丹：