新藍海 電動汽車電池的梯次回收應用場景

什么是全生命周期的環境效益評估？動力電池的第二次生命將應用于哪些場景？為加強新能源汽車動力蓄電池回收利用管理，今年年初國家7部門就曾印發《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》與《關于做好新能源汽車動力蓄電池回收利用試點工作的通知》，全面啟動廢舊動力蓄電池市場化回收利用。

根據研究機構Circular Energy Storage最近的一份報告，2018年全球二手鋰電池市場規模預計將達到13億美元。其中分析師指出，通過材料回收可以產生11億美元的產值，而剩余的2.3億美元將產生于維修，翻新等行業。未來3年，電池回收市場預計將增長至35億美元，而到2025年，這個規?？赡軙_到42億美元。

另外，報告還指出，隨著我國電動汽車銷量的增長，未來70%的鋰電池的二次利用市場將集中在中國。除此之外，韓國將會成為市場的第二大貢獻者，約占16%的份額。到2025年，能源存儲系統中的二次電池應用可以達到42吉瓦時的容量 - 其中80%在中國 - 這個數字將達到中國預測安裝電池存儲容量的一半。

隨著我國新能源汽車產量不斷擴大，動力蓄電池的回收利用問題逐步凸顯。據估算，到2020年后動力蓄電池將逐步進入規?；艘燮?。動力蓄電池退役后，如處置不當，隨意丟棄，一方面會給社會帶來環境影響和安全隱患，另一方面也會造成資源浪費。

為什么要回收廢舊動力電池？

從電動汽車上正常老化的動力電池，可以繼續應用在其他不同領域中。例如，二次電池（Battery 2nd Life，B2L）可以與光伏發電相結合，實現在模塊級別上更高的發電使用效率；二次電池重新組裝成的儲能站也可以在更高級別上為工業用戶實現用電的削峰填谷，以降低其用電成本；而將規模擴大到MW級別之后，廢舊動力電池也可以參與電網的調峰調頻，或者參與風電場的發電穩定。因此，二次電池的壽命可以和其動力電池的壽命一樣長。另一方面，二次電池的利用也是環境效益與經濟效應的一場博弈。對于不同的二次動力電池，因其參數之間的差異，在其梯級利用的時候也面臨相應的挑戰。

全生命周期的環境效益評估

在生命周期評估中（Life Cycle Assessment = LCA），可以將動力電池分為三個階段：生產階段，使用階段和廢棄或再回收利用階段。評估三個階段對環境所帶來的沖擊，其中包括能源使用，資源耗用與污染排放等。在動力電池的生產過程中，存在著大量的高碳排放的步驟；同時，動力電池在使用的過程中，由于能源是從化石燃料-動力的直接轉化變為化石燃料（集中發電，目前大部分發電仍然依靠傳統能源）-電力-動力的轉變，其碳排放相較于汽油或柴油車不降反升。只是從原有的車輛尾氣排放集中到發電側。所以，在回收利用階段，可以讓動力電池參與電力的儲存與調節，從而提高能源使用效率，進一步降低全生命周期的平均碳排放量，達到保護環境的目的?？傮w而言，動力電池的回收利用，可以幫助其在環境效益上得到更優解。

為了實現動力電池的回收，將引入3R賦予電池二次生命，即Reuse，Refabricate和Recycling。

Reuse：通過直接使用動力電池組進行電網儲能

Refabricate：通過拆解動力電池組，重新組裝電池單元成為新的儲能裝置

Recycling：通過分解回收動力電池組內的化學元素

應用場景

在動力電池回收利用的應用場景中，本文將從三個不同規模的應用場景進行簡單的闡述。

小型規模場景：家庭光伏設備

如果將電動汽車的高壓儲能模塊（Vehiclehigh-voltage storage，VHS）進行拆解，可以將該模塊應用在家庭光伏的電力儲存系統上。并且這套系統的電壓范圍通常在60伏DC內，作為安全超低電壓（Safety ExtraLow Voltage,SELV）。在該電壓范圍內，不需要進行特殊的防誤觸保護，適合在家庭環境下使用。

家庭用光伏+儲能系統

自2013年以來，德國的光伏發電在絕大多數情況下比一般電網平價便宜。隨著電池儲能系統的并入，光伏發電的利用率將會極大提高，并通過降低電池成本，實現光伏系統的更高經濟效率。另一方面，電動汽車不斷增長的市場正在增加對電力的需求以及未來二手車電池的回收，對于這樣小型的固定場景應用，具有廣泛的發展空間。

中型規模場景：調峰和光伏電站商業化

在100kW的功率范圍內，整個光伏電站系統將包含多個VHS系統。系統的總體電壓也將保持在800伏DC的范圍，由多個VHS系統串聯組成。下圖的應用中是一個具有4個VHS的系統，上下兩個部分的VHS系統相互連接，可以根據逆變器按功率和能量進行縮放和調節。除了大型商用光伏系統外，這樣的系統還可以應用于調峰，負載均衡等，以避開電力需求高峰。這些電池組還可以用于電動汽車快速充電樁內，提供穩定的供能。

4單元VHS系統示例

大型規模場景：兆瓦級別調峰調頻

在電力市場中，參與調峰調頻往往要求最低功率必須達到1MW。多級的VHS架構串并聯，可以實現參與電網的調峰調頻，并且從中獲利。但其缺點往往是因為儲能密度較低，需要的場地較大。除了用于調峰調頻，該級別的儲能系統也能用作風電場的電能儲存，并且參與并網。

電池與HVS的各個模塊的組合

下圖可以很好的表示不同的動力電池的二次應用場景：

隨著我國新能源汽車產量不斷擴大，第一代電動汽車電池逐漸走向了生命的尾聲，不少電動車主的動力電池已經面臨更換或者已經更換。下面我們將介紹動力電池梯次利用的成功案例。

萊比錫“電池農場"

寶馬作為豪華車的領先品牌之一，在電動車領域于德國車企中走在了前列。無論是小型車I3, 還是豪華跑車I8，都在德國街頭頻頻出現。除了新車領域，在廢舊電池領域寶馬也率先做出了探索。2017年金秋時節，在寶馬萊比錫工廠第十萬輛BMW i3下線的儀式上，寶馬的“電池農場”也正式并網運行。剛投入運行期間，700輛i3的舊電池將成為高壓儲能系統的重要組成部分，賦予了電池“第二次生命”。

據寶馬方面表示，第一代寶馬i3電池已經使用了超過4年，總計行駛里程數超過10,0000公里。除了已經使用的700余電池單元外，還有很多潛在的可利用資源。該儲能電站的設計也最大限度遵循模塊化的原則，保證更多電池接入時的可擴張性和電池更新、替換時的兼容性。寶馬工廠附近的風電場與這個“電池農場”形成配套，從而增加可再生能源在工廠內的消納能力，保障寶馬工廠的能源自給率。此外該儲能系統還直接并入電網，參與一次調頻市場。在一次調頻市場中，為克服舊電池對電網狀態不利影響，儲能系統中的新電池部分將起到更大的作用。

與寶馬類似，其競爭對手奔馳公司也于2018年上馬了新的動力電池儲能電站。除了老舊電池的再利用外，電站還使用新生產出來的庫存電池單元，在系統中適度充放電，以維持電池良好的工作狀態，避免深度放電對新電池造成損害。

日產Reborn Light 電燈

除了在電網側德國企業將儲能電池二次利用外，另一汽車生產大國日本的電動車領跑者日產-雷諾集團在用戶側也另辟蹊徑，推出了基于電池梯次利用的Reborn Light街燈。電動汽車的退役電池，將直接與路邊電燈的光伏板相連，組成微型的儲能系統，能在孤網的環境下正常工作，對于福島災后重建的地區來說有著很強的現實意義。日產與日本4R Energy公司正在利用這個技術，給基礎設施受到嚴重破壞的雙葉浪江町重新帶來光明。此外，由于日本處于地震多發帶，電網不穩定的情況時有發生，Reborn Light的儲能電源也能參與應急供電的場合。

電池梯級利用的設計要素

電池在它第一個生命周期中，基本上處于每天1-2小時使用時間，深度充放電，并且可能面對環境溫度的巨大變化。而儲能電池（電池的靜態使用）與電動汽車的使用場景有著顯著的不同：儲能電站是每年24h*365天不間斷并網運行，充放電電流較小，工作溫度能夠穩定在20-25℃。這樣的工作條件保障了電池在梯次利用的時候，能夠達到較理想的生命周期。

1.配套電力設備

由于儲能電站使用中，電池的充放電電流較小，相應的保護設備需要重新選型，但這樣較車載電池參數指標相較更低，也能夠降低系統成本。

2.電池包裝與支架

車載電池都是模塊化設計和使用的，相對應的儲能電站的電池也應該設計模塊化的支架單元，方便布置和更換。此外，儲能系統EMS系統的接口，也應模塊化設計。

3.熱管理

電池工作中產生的熱量，需要通過模塊化的通風系統及時疏散。在支架間形成良好的空氣流動，如圖所示。

電池利用的前景與展望

目前電池的梯次利用還是一個全新的課題，商業應用的項目鳳毛麟角，大部分都還是實驗或者示范項目階段。隨著第一批電動汽車動力電池的退役潮，以及新能源汽車的進一步普及，回收不滿足車載性能要求的動力電池，將成為車企的社會責任。傳統的拆解回收技術產生的負面環境影響，將促使企業在電池回收利用場景上創新，以適應電動汽車時代的到來。