王蘇杭，李建林

(1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海市 松江區(qū) 201620；2.儲能技術(shù)工程研究中心(北方工業(yè)大學(xué))，北京市 石景山區(qū) 100144)

0 引言

我國電動汽車產(chǎn)業(yè)正值蓬勃發(fā)展的上升時期，政府也采取了一系列措施以鼓勵新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，“十城千輛”和電動汽車稅收減免等惠民政策使得電動汽車市場前景更加光明[1]。在2020年間中國汽車銷量數(shù)據(jù)中，新能源汽車占5.4%，同比累計增長10.9%，在此走勢下，預(yù)計到2021年底，我國電動汽車銷量可超過180萬輛，同比增長率可上升至40.0%左右[2]。與此同時，隨著電動汽車銷量的不斷增加，可以預(yù)見的是，我國退役電池的數(shù)量也將呈現(xiàn)出一種顯著的上升趨勢。截至2020年底，我國的退役動力電池總量已高達(dá)25 GW·h[3]。一般情況下，新能源汽車動力電池的使用壽命通常為3～5 a，當(dāng)容量下降至80%左右時即需進(jìn)行更換[4]，而此時退役下來的電池本身仍具有很高的利用價值。對退役電池進(jìn)行相應(yīng)的梯次利用，不僅能夠大幅度降低對環(huán)境的污染，還能最大程度地避免資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益最大化[5]。

退役下來的動力電池仍具有可觀的電池容量及壽命，因此在對電池單元進(jìn)行重新測試分析、篩選及配對重組后，將其用于具有良好操作條件和較低電池性能要求的其他領(lǐng)域，例如微電網(wǎng)中，承擔(dān)諸如平滑分布式電源功率波動和用戶端需求響應(yīng)之類的任務(wù)[6]。對儲能領(lǐng)域中退役電池梯次利用的研究，不僅可以降低新能源汽車產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本，而且有利于儲能基站的大規(guī)模推廣及應(yīng)用。到目前為止，國家已經(jīng)頒布了多個關(guān)于退役電池梯次利用的政策，但是，退役動力電池梯次利用一直處于一種難以實(shí)施、難以管控的情況[7]。本文旨在分析總結(jié)退役動力電池梯次利用的各項(xiàng)技術(shù)，根據(jù)其在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用情況，研究梯次利用的可行性。

1 國內(nèi)外梯次利用現(xiàn)狀

1.1 國外梯次利用現(xiàn)狀

由于歐美等發(fā)達(dá)國家的動力電池業(yè)務(wù)發(fā)展較早，因此現(xiàn)階段的動力電池回收利用基本沿用之前的經(jīng)驗(yàn)，形成了以電池制造商為主要責(zé)任方的回收體系[8]。美國的電池零售商被強(qiáng)制要求回收廢舊電池，同時也通過押金的方式使消費(fèi)者主動回收廢舊電池[9]；在日本，廢舊電池的回收由生產(chǎn)商負(fù)責(zé)，但政府會發(fā)放一定的補(bǔ)貼，從而提高了廠商回收的積極性[10]?，F(xiàn)階段，梯級利用總體還處于示范性應(yīng)用階段，現(xiàn)有項(xiàng)目大多由汽車企業(yè)主導(dǎo)、聯(lián)合電池企業(yè)及回收企業(yè)實(shí)施，少數(shù)企業(yè)已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化突破，主要應(yīng)用在儲能領(lǐng)域[11]。

4R Energy能源公司就是鋰電池梯級利用企業(yè)中的一個代表，由日產(chǎn)汽車與住友集團(tuán)合資成立，研發(fā)了功率范圍為12～96 kW 的一系列家用和商用儲能產(chǎn)品[12]；ABB集團(tuán)與通用汽車合作，把從雪佛蘭汽車上退役下來的動力電池進(jìn)行梯次利用，制造了用以家庭和小型商用的備用電源，以及與清潔能源發(fā)電配套的削峰填谷設(shè)備[13]；豐田公司使用其凱美瑞車輛中已退役的電池，為黃石國家公園的設(shè)施進(jìn)行能源存儲和供電，同時設(shè)計了良好的管理系統(tǒng)，使得退役電池的使用年限可延長將近2倍[14]。

1.2 國內(nèi)梯次利用現(xiàn)狀

在我國，動力電池梯次利用不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)問題，還是國家戰(zhàn)略[15]，涉及民生、能源、節(jié)能等多個方面，備受重視。以國家電網(wǎng)、中國鐵塔公司、比亞迪公司為代表的企業(yè)在梯次利用技術(shù)的研究上取得了一定進(jìn)展，但總體而言仍處于探索階段，到形成完整的商業(yè)運(yùn)行模式還需要一些時間[16]。

在新能源汽車充電行業(yè)，由中國電科院、國網(wǎng)北京公司、北京交通大學(xué)等多中心聯(lián)合建立的北京大興電動出租車充電站梯次利用示范工程，將退役電池用于變壓器輸出功率的調(diào)整以及維持電壓水平的穩(wěn)定[17]；在通信行業(yè)，比克公司牽頭建立了廢棄電動汽車拆解回收項(xiàng)目，將退役電池用于基站、路燈等設(shè)備的儲備電源，以達(dá)到穩(wěn)定、節(jié)能的目的[18]；在儲能領(lǐng)域，國網(wǎng)河南公司、南瑞集團(tuán)等建立了鄭州尖山退役電池儲能示范工程，將退役電池與風(fēng)力、太陽能發(fā)電站結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的風(fēng)光儲混合微電網(wǎng)功能[19]；在輔助調(diào)頻領(lǐng)域，由國網(wǎng)冀北公司、北京交通大學(xué)建立的唐山曹妃甸“梯次電池儲能示范工程”，實(shí)現(xiàn)了可靠的削峰填谷功能，提高了電能質(zhì)量[20]。

2 退役電池檢測與篩選

退役電池由于經(jīng)過了長時間的使用，工作的歷史情況復(fù)雜，使得不同電池之間的性能差異加劇，同時，電池的安全性也會加劇。如果不對退役電池進(jìn)行有效的檢測與區(qū)分，電池模組的性能就會受到嚴(yán)重的影響，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等事故[21]。判斷退役電池的再利用價值，先決條件是要判斷其安全性相關(guān)參數(shù)，其次則需要判斷電池是否具有經(jīng)濟(jì)效益，即電池是否仍具有一定的容量及使用壽命等。

判斷退役電池的安全性，首先可以通過觀察電池外觀的方式，檢查電池是否存在變形、漏液、鼓包、零部件不全等問題[22]；查看外觀正常后，可用電壓表測量電池是否存在低(零)電壓的問題，用內(nèi)阻測試儀初步測量電池是否存在內(nèi)阻過高的問題[23]。在安全性能檢測結(jié)果達(dá)標(biāo)后，方可進(jìn)行下一步的電性能檢測。

由于退役電池通常是一個封閉的模塊，難以完整拆卸，因此對退役電池的健康狀態(tài)的評估主要通過內(nèi)阻、庫倫效率、容量等來進(jìn)行[24]。電池的內(nèi)阻反映正負(fù)電子/離子在電解質(zhì)中傳輸?shù)碾y易程度，可以通過突加電流來監(jiān)測電壓與電流變化量的比值(即直流電阻)來表征，也可以施加高頻的正弦激勵測量交流電阻用以表征[25]。文獻(xiàn)[26]根據(jù)直流內(nèi)阻特性實(shí)驗(yàn)及溫度實(shí)驗(yàn)，研究了退役電池直流內(nèi)阻與荷電狀態(tài)、倍率性能、溫度的關(guān)系，形成了有效的退役電池篩選及分組的流程。

庫侖效率表示充放電循環(huán)中電池放電容量與充電容量之比，實(shí)際使用中，由于電極表面膜生長等其他副反應(yīng)的存在，使得庫侖效率往往低于理想值100.0%，并且隨著充放電次數(shù)的不斷增加，庫侖效率逐漸呈下降趨勢，最終達(dá)到退役標(biāo)準(zhǔn)[27]，在鄭志坤等[28]的研究中，研究者從電化學(xué)的角度切入，闡明了庫侖效率與電池容量衰減之間的聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上引入了以庫侖效率為基礎(chǔ)的針對退役電池進(jìn)行篩檢的方法。

電池容量主要借助恒流充放電來檢測，在保持電流恒定的情況下進(jìn)行一次充放電循環(huán)，可以直接測出電池的容量[29]，且此方法較為簡單經(jīng)濟(jì)，具有廣泛的適用性。電池的容量也可以用電池健康度(state of health, SOH)表示，SOH可以理解為電池當(dāng)前容量與出廠標(biāo)稱容量之比，其測量方法有：直接獲得法、適應(yīng)性方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動法等。直接獲得法無需依托于各種算法或模型模擬，簡單便捷，可操作性強(qiáng)；適應(yīng)性方法主要包括卡爾曼濾波法、粒子濾波法、最小二乘法等，輸出結(jié)果的精度高，但算法復(fù)雜，可操作性較差；數(shù)據(jù)驅(qū)動法則是純數(shù)學(xué)方法，通過與電池本身無關(guān)的算法實(shí)現(xiàn)，與適應(yīng)性方法聯(lián)合使用可進(jìn)一步提高輸出精度，缺點(diǎn)在于只對能夠構(gòu)成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的電池型號有效[30]。

通過上述檢測與篩選的方法，不僅可以了解退役動力電池的基本性能，還可以通過不同電池的性能狀況進(jìn)行分類，用以判斷適合其使用的工作場景。

3 退役電池重組與均衡

由于工藝技術(shù)水平的限制，無法保證電池工作在完全相同的工況下，這就導(dǎo)致電池間的不一致性逐漸擴(kuò)大，對于退役動力電池而言就更為明顯，因此，必須選用性能參數(shù)相近的電池才可進(jìn)行有效的梯次利用。

目前主流的分選方法主要針對單個電池，需要逐個進(jìn)行測試，效率低下[31]，面對大批量退役電池時如何快速進(jìn)行分選是目前需要攻克的問題。GB/T 743—2006中對于如何評估新能源汽車電池一致性這一問題提供了如下算法：

(1)

式中：δ表示一致性指數(shù)；Ca表示單體電池平均容量；Ci表示第i個單體電池的容量；n表示單體電池的總數(shù)[32]。由于測得的電池各性能指標(biāo)之間具有非相關(guān)性，文獻(xiàn)[33]將電池容量、內(nèi)阻、電壓等數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，進(jìn)行歸一加權(quán)處理之后，使用快速聚類方法(K-means clustering algorithm)使選定電池重新成組，并驗(yàn)證了成組的有效性和可行性。文獻(xiàn)[34]提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的退役電池快速分選技術(shù)，可使用少部分樣品的特征電壓篩選出大批量退役電池，由于避免了并聯(lián)均衡操作，無需拆解電池模塊，避免了實(shí)際工程中退役電池模塊難以拆解的問題。

退役電池分選重組只保證了電池初始容量的一致性，實(shí)際使用中，重組電池的一致性仍會由于溫度與環(huán)境等因素的影響而變差，進(jìn)而縮短電池的使用壽命，對退役動力電池的影響尤為明顯[35]，因此還需要合理地運(yùn)用電池均衡技術(shù)來解決使用過程中產(chǎn)生的一致性問題。均衡是為了盡可能拉近電池之間的荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)，即盡力保證SOC的一致性，從而達(dá)到電池容量的最大化[36]。電池均衡技術(shù)主要包括充電式、能量轉(zhuǎn)移式和電阻耗能式3類[37]。

充電式均衡是指均衡電池特性的充電，文獻(xiàn)[38]通過實(shí)時調(diào)整均衡加速系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了單體電池充電速率的線性動態(tài)調(diào)節(jié)，有良好的均衡充電效果。能量轉(zhuǎn)移式均衡是指通過電感、超級電容器等過渡器件來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移而非消耗，具有效率高、產(chǎn)熱低的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[39]結(jié)合Buck-Boost變換器原理提出了一種雙層能量轉(zhuǎn)移式的控制策略，將動力電池分為多組，小組之間以及每個小組內(nèi)部分別采用均衡控制，效率較高。電阻耗能式均衡是指利用電阻旁路分流從而使電壓較高的電池釋放能量，屬于被動均衡策略，雖然控制簡單，但能量利用率低，而且消耗多余電能的電阻會產(chǎn)生熱量，從而降低安全性，故目前較少使用此種均衡方式[40]。

4 動力電池儲能梯次利用

動力電池具有高能量密度、大容量和高效率等特點(diǎn)[41]，因此十分適合在儲能系統(tǒng)中使用。一般來說，從新能源汽車中退役的動力電池仍然能夠達(dá)到其初始容量的70%甚至更高水平，相對于常規(guī)電池而言，在儲能領(lǐng)域中合理利用退役動力電池可以進(jìn)一步節(jié)省儲能成本[42]。

隨著電動汽車對充電速率的要求越來越高，快速充電站的功率也越來越大，電動汽車接入大功率充電樁時，會對局部電網(wǎng)的穩(wěn)定產(chǎn)生沖擊[43]。此時可以考慮在快速充電站中配備梯次電池儲能系統(tǒng)，對負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，以緩解對電網(wǎng)的影響。在韓曉娟等[44]的研究中，將充電站的年凈貨幣收益最大值作為目標(biāo)函數(shù)，并結(jié)合算例構(gòu)建成本效益模型模擬以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)學(xué)的量化評估，在綜合考量購買、維護(hù)和電費(fèi)等成本以及售電、減少配電網(wǎng)容量擴(kuò)建和降低網(wǎng)絡(luò)損耗等收益的情況下，發(fā)現(xiàn)配備梯次電池儲能系統(tǒng)的年凈貨幣收益顯著高于配備常規(guī)電池以及不配備電池的經(jīng)濟(jì)獲益。

在通信領(lǐng)域，梯次電池還可以為基站進(jìn)行供電。通信基站機(jī)房內(nèi)的無線設(shè)備大多都需要連接直流電源端子[45]，隨著現(xiàn)階段5G基站的擴(kuò)建，直流電源供電設(shè)備出現(xiàn)明顯不足。從電動汽車上退役的電池的相應(yīng)性能仍優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸電池，且室內(nèi)環(huán)境下梯次電池的充放電性能相較于全新的相同型號的鐵鋰電池相差不大，因此在基站中使用梯次電池的方案具有很高的經(jīng)濟(jì)價值[46]。梯次電池除了作為直流電源之外，還可配備雙向逆變器向基站中的交流負(fù)載供電[47]，2種應(yīng)用模式如圖1和圖2所示。

由于光伏電站出力具有很大的波動性，直接并網(wǎng)會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的負(fù)擔(dān)[48]，為其配備儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷可顯著降低電網(wǎng)壓力，然而鋰電池高昂的價格一直制約著此技術(shù)的發(fā)展，因此在光伏電站儲能系統(tǒng)中采用梯次電池成為了一種可選擇的解決方案。文獻(xiàn)[49]從換電站退役的80個鋰電池包中篩選出了50個性能良好、適宜使用的電池包，將這50個電池包重組后配置于光儲微網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行測試，在并網(wǎng)和離網(wǎng)2種工況下均實(shí)現(xiàn)了梯次電池的儲能利用，電池的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了92.8%，證明了梯次電池具備工程上的利用價值。文獻(xiàn)[50]對光伏電站中的梯次電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)學(xué)評估，結(jié)合具體算例，證明了在梯次電池單位容量購買價格小于一定值的情況下，相對于常規(guī)電池儲能系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。

圖1 梯次電池作為直流電源用于通信基站Fig.1 The retired power battery is used as a DC power supply in a communication base station

圖2 梯次電池作為交流備用電源用于通信基站Fig.2 The retired power battery is used as an AC backup power supply in a communication base station

在用戶側(cè)儲能領(lǐng)域，尤其是用電量大的企業(yè)，在充分利用峰谷電價差的情況下，梯次電池儲能也具有良好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[51]通過對西北某園區(qū)企業(yè)的算例數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)梯級電池儲能相對于新電池有更好的經(jīng)濟(jì)效益，可以縮短25%的成本回收周期。

5 總結(jié)與展望

目前梯次電池利用主要集中在儲能領(lǐng)域，在性能尚可的情況下，其采購成本大大低于全新的鋰電池。在目前鋰電池儲能市場受成本因素限制而到了瓶頸的背景下，梯次電池儲能無疑是一種較好的解決方案。由于適用的儲能場景很多，因此退役電池還可以在多儲能場景下進(jìn)行梯級利用，以達(dá)到價值的最大延伸[52]。在動力電池梯次利用的最后階段，不具備使用價值的電池可以做拆解回收處理，電池內(nèi)的鋰、錳、鈷等稀有材料可被有效回收利用[53]。不管是從環(huán)境工程的角度還是從成本收益的角度來看，退役電池的梯次利用都具有深遠(yuǎn)的研究意義。當(dāng)然，由于退役電池梯次利用尚處在起始階段，仍存在諸多需要解決的問題。

在技術(shù)方面，首先，如何快速篩選有利用價值的電池是一大難點(diǎn)，目前較為成熟的技術(shù)仍舊是針對于單體電池層面，需要針對電池模組形成一套行之有效的篩選判別方法，同時面對即將到來的動力電池大規(guī)模退役潮，提高篩選效率也很有必要；其次，由于退役動力電池間的容量等參數(shù)相對于新電池間差異更大，因此在重組及使用過程中要盡量保持電池間的平衡，以便更大程度地增加退役電池的使用年限。

在政策方面，目前對退役動力電池的安全性評估標(biāo)準(zhǔn)尚不完整，行業(yè)監(jiān)管體系仍待規(guī)范。各生產(chǎn)企業(yè)制造的動力電池容量、大小和規(guī)格等并不一致，使得梯次利用成本增加。可加強(qiáng)對動力電池生產(chǎn)企業(yè)的監(jiān)管，促使生產(chǎn)企業(yè)對電池回收負(fù)責(zé)，同時，在電池生產(chǎn)過程中預(yù)留一定的梯次利用空間，也是一種可以考慮的方式。只有形成了一定的規(guī)模，退役電池的梯次利用才會帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。