退役動力電池作為儲能系統(tǒng)應(yīng)用的探討＊

高明飛，馬 科，李紅宇，李文斌，李 維

（1.西安航空學(xué)院，陜西 西安710077；2.河南速達(dá)電動汽車科技有限公司，河南 三門峽472000）

1 前言

近些年來，中國的電動汽車發(fā)展很快。由于國家政策上的支持，電動汽車的市場保有量增長非常迅速。2013年，電動汽車的銷量不足2 萬輛，但是到了2018年，銷量超過了100 萬輛。目前，中國已經(jīng)成為新能源汽車的生產(chǎn)和消費大國，電動汽車的市場也已經(jīng)逐漸成熟起來。對于電動汽車，其對動力蓄電池性能要求較高，在使用了若干年后，性能會逐漸下降，容量逐漸衰減。當(dāng)鋰離子電池的容量低于某一個值時（通常為初始容量的80%），就不能滿足電動車使用要求，就必須退役下來。

隨著電動汽車的快速發(fā)展，政府和企業(yè)都意識到能否解決好退役動力電池的回收及利用對于電動汽車發(fā)展的重要性。早在2012年，國務(wù)院已經(jīng)發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》[1]，在這個規(guī)劃里，對中國新能源汽車的發(fā)展指明了方向。在規(guī)劃里，指出了要制定和建立動力電池回收利用的管理辦法以及梯級利用和回收管理體系，鼓勵發(fā)展專業(yè)化的電池回收利用企業(yè)。嚴(yán)格設(shè)定動力電池回收利用企業(yè)的準(zhǔn)入條件，明確動力電池收集存儲、運輸、處理、再生利用及最終處置等各環(huán)節(jié)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理。

事實上，退役動力電池并沒有完全報廢，仍然具有儲電的功能。對于很多退役的電池，可以滿足其他的性能要求較低的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，可以發(fā)揮退役電池儲電功能，充分利用蓄電池的使用價值，實現(xiàn)效益的最大化，可以極大地降低新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的成本。

目前，對退役動力電池的處理方式主要有無害化報廢拆解和梯次利用兩種[2]。如果對退役電池先進(jìn)行梯次利用，然后再進(jìn)行拆解以及無害化處理，可以最大程度地發(fā)揮電池的利用價值。

2 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

國內(nèi)外對于退役電池的梯次利用展開了大量的研究，尤其是對于儲能系統(tǒng)的應(yīng)用方面進(jìn)行了深入探索。儲能系統(tǒng)作為退役電池的一個重要的應(yīng)用方向，包括商業(yè)儲能和家庭儲能。在商用領(lǐng)域，可以作為通信基站的備用電源，在家庭儲能方面，可以作為家庭儲能的備用電源。

由于電池容量的衰減不是一個均勻的過程，對于新電池，開始使用時，容量的衰減比較慢，當(dāng)反復(fù)充放電多次以后，容量的衰減加快。當(dāng)容量降低為80%以下時，電池容量的衰減比較迅速。如果電池在小電流、常溫下工作，電池的實際壽命可以得到延長。因此，對于退役動力電池，能在較好的使用環(huán)境條件下進(jìn)行使用，可以提升電池的使用價值。而儲能系統(tǒng)通常不需要頻繁地充放電，使用條件要比電動汽車要好，比較適合作為退役電池的進(jìn)一步利用場地。

目前，國內(nèi)外在退役電池的儲能利用方面的研究與應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展，目前有三個方面的應(yīng)用：①作為備用電源。中國鐵塔公司用退役電池作為通信基站備用電源，目前已經(jīng)具備一定的規(guī)模。目前在全國大約有12 萬個基站使用退役電池，總?cè)萘看蠹s為1.5 GW·h，這些電池主要是替代原有的鉛酸電池。如果現(xiàn)有的基站全部更換，大約可以容納200 萬輛電動汽車的退役電池。②進(jìn)行電網(wǎng)儲能。國家電網(wǎng)已經(jīng)在北京大興和張北建設(shè)了電池儲能系統(tǒng)示范工程。國家電網(wǎng)河南公司聯(lián)合了相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)建成梯次利用儲能示范工程[3]。這些示范工程的建立，為退役動力電池的分選、重組到儲能利用提供了一個規(guī)范化的流程，為進(jìn)一步的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。③應(yīng)用到低速車領(lǐng)域。例如，國家電網(wǎng)浙江公司等企業(yè)探索將梯次利用電池應(yīng)用于電動自行車或低速車領(lǐng)域，無錫格林美與順豐公司合作研究城市物流車等。

3 儲能利用的技術(shù)問題

在經(jīng)過了比較長時間的使用后，在退役時，動力電池在性能上明顯會出現(xiàn)衰退。因此，為了保證安全，首先要對退役的動力電池能否被梯次利用進(jìn)行技術(shù)上的判斷。

從技術(shù)的角度來看，需要考慮以下幾個問題：①電池的安全性。退役電池由于經(jīng)過了長時間的使用，內(nèi)部的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)可能存在缺陷和隱患。如果在使用過程中，受到外部的條件的誘發(fā)，可能會出現(xiàn)安全事故。對于退役動力電池，目前還沒有比較成熟的安全性評估方法，一般可以按照這樣的步驟來實施[4]，即對電池進(jìn)行外觀的檢查和測試，通過觀察，確定其是不是存在極耳斷裂、鼓脹等物理缺陷；其次，如果外觀檢查沒有明顯物理缺陷，根據(jù)動力電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽樣分析，分析主要是檢測電池在極限條件下的狀態(tài)；最后，對不同狀態(tài)的退役電池，利用抽樣分析的方式，分析其自產(chǎn)熱起始溫度、熱失控引發(fā)溫度等特性。②退役電池的狀態(tài)。評估電池當(dāng)前的容量（SOH）、內(nèi)阻等參量。同時，對于退役電池，還要考慮電池在梯次利用階段時，性能不斷發(fā)生變化，需要對容量的衰退趨勢進(jìn)行初步的預(yù)測，進(jìn)而判斷電池的剩余壽命。

對于退役的動力電池，一部分電池在車載使用階段具有完整的運行數(shù)據(jù)的記錄，對這類電池，可以通過記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估電池的剩余容量、內(nèi)阻等當(dāng)前狀態(tài)。同時，還可以根據(jù)電池在使用過程中存在的過充電、過放電等非正常使用的情況，同時考慮退役時電池的物理外觀，例如是否有鼓脹來判斷電池的安全狀態(tài)。根據(jù)電池在使用過程中充放電的參數(shù)變化規(guī)律預(yù)測電池的衰減趨勢。

還有一部分退役動力電池，在車載使用階段，其運行數(shù)據(jù)記錄不完整或者缺失，這類電池狀態(tài)比較難估計。目前采用的一種方法是通過對電池模塊進(jìn)行若干次完整的充放電，在充放電過程中記錄電壓、溫度的變化情況，分析各個單體電池之間的一致性；然后采用抽樣檢測的方法，對電池抽樣分析，主要是測試電池在不正?；蛘邽E用條件下的安全性能，以及測試儲能工況下的衰退特性。這種方法能比較準(zhǔn)確地判斷電池的容量、內(nèi)阻等，同時還能判斷出單體電池之間的狀態(tài)差異；另外一種方法是選取幾個可快速測量的電池特征參量，通過對這些參量的快速評測來診斷電池的狀態(tài)。

從安全性角度來看，電池內(nèi)部的安全隱患一般具有隱蔽性強的特點，無論采用什么方法，都不能準(zhǔn)確地判斷出電池內(nèi)部的安全隱患；同時，由于退役電池的使用情況千差萬別，還需要對電池的充放電倍率、環(huán)境溫度、充放電的深度以及充放電溫度等使用條件對電池性能的影響進(jìn)行判斷。

4 在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用

退役動力電池在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及到家庭和商業(yè)儲能。國外已經(jīng)都取得了一定的進(jìn)展，國內(nèi)目前主要應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域。

在商業(yè)儲能方面，由于涉及到的設(shè)備功率較大，需要大量的電池堆砌。同時為了保證供電的穩(wěn)定性，要求電池的性能狀態(tài)比較穩(wěn)定，對于電池的一致性要求較高。因此，對于商業(yè)儲能領(lǐng)域，在技術(shù)上，對退役電池新性能的狀態(tài)檢測技術(shù)的進(jìn)步具有較高的依賴性。能否在商業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模的推廣應(yīng)用，很大程度取決于電池在車載運行階段的運行記錄以及后期的檢測及預(yù)測。因此，為了實現(xiàn)商用領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，需要對電動車在車載運行階段的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。新能源汽車企業(yè)以及國家相關(guān)部門有必要從技術(shù)上和制度上對電動車的技術(shù)和使用進(jìn)行規(guī)范，這樣更加有利于退役電池在商用領(lǐng)域的大規(guī)模推廣。

在家庭儲能領(lǐng)域，目前中國的民用電價較低，因此家用儲能經(jīng)濟(jì)型較差。因此，在家用儲能領(lǐng)域，更多的是作為備用電源。中國的城市電網(wǎng)比較穩(wěn)定，通常停電時間較短，對于備用電源的要求主要體現(xiàn)在電池的安全性能上。因此，對于家用儲能領(lǐng)域，更多的是考慮備用電源的安全性的評估，而對電池的容量的需求不高。

同時，對于風(fēng)能、太陽能資源比較豐富的地區(qū)，可以利用風(fēng)能或者太陽能發(fā)電儲能。對于一些放牧地區(qū)，在牲畜轉(zhuǎn)場中，缺少必要的供電設(shè)施，可以利用風(fēng)能、太陽能發(fā)電，利用退役電池進(jìn)行儲能，解決轉(zhuǎn)場過程中的用電問題。

5 結(jié)論

本文主要探討了退役動力電池在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，退役電池在儲能領(lǐng)域應(yīng)用可能存在的技術(shù)問題，以及在儲能鄰域的應(yīng)用的要求等方面進(jìn)行了初步的探討。在解決好電池的使用和退役后的檢測等技術(shù)問題后，其在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用前景將是非常廣泛的。