梯次利用储能降低成本意义重大 但仍有很多问题待解决

“电动汽车的保有量已经超过了200多万辆了，这200万进入到市场以后，3—5年或者5—8年，总要从电动汽车上退役下来，所以我们国家动力电池的退役大潮即将来临。梯次利用意义非常重大，其中主要的是可以降低储能的成本，促进我国的节能减排和循环利用等产业可持续发展，往高里说就是提高生态文明的建设水平。”

——摘自2018中国分布式储能峰会廖强强发言

2018年10月26日，北极星电力网、北极星储能网、中关村储能产业技术联盟在北京西国贸大酒店联合举办2018中国分布式储能峰会，在上午“主旨报告”环节，上海电力大学教授、廖强强博士为我们带来“梯次利用电池在分布式储能系统中的研究与应用”报告。

以下为发言实录：

各位嘉宾，上午好！我叫廖强强，来自上海电力大学。我今天报告的题目是“梯次利用电池在分布式储能系统的研究与应用”，我们课题组主要开展电池性能的状态评估、储能系统在电网中的应用、规划以及经济性等方面的工作。

我将主要从以下四方面进行汇报：第一，梯次利用的意义；第二，国内外梯次利用实践的情况；第三，我们在储能方面以前的研究研究工作基础；第四，梯次利用的问题探讨。大家都说梯次利用很好、成本很低，利用过程中其实有很多问题的。

梯次利用的意义，刚才前面很多专家也都提到了微电网、储能、新能源的发展等等，由于分布式电源的多样性，以及微电网运行方式的复杂性，储能系统作为能量的蓄水池，是微电网运行可靠安全的一个保障，上面的这几个图，分别代表几种典型的电化学储能的一些案例，比如说第一个是钠硫电池、第二个是反液流电池、第三个是锂离子电池、第四个是铅炭电池，现在这些储能案例都是有很多的。下面两张图是我们上海电力大学微电网的一些场景，我们有两个校区，一个是杨璞校区，一个是林岗校区，林岗校区也是刚刚搬到林岗区的，正在建设的过程。

刚才很多专家也提到了，在各种储能技术当中，电化学储能是发展最快的，而且成本降的也是最快的。但是电化学储能现在推广的，就是大家一直在说，投上去以后积极性好不好，其实主要的障碍是什么呢，就是成本的问题，比如锂离子电池储能系统的成本仍然要达到3元/瓦时的样子。

锂离子电池在我们国家非常大的应用场景就是电动汽车上，电动汽车刚刚刘博士也提到了，电动汽车的保有量已经超过了200多万辆了，我当时的数据已经是上半年的数据，接近200万辆的样子，这200万进入到市场以后，3—5年或者5—8年，总要从电动汽车上退役下来，所以我们国家动力电池的退役大潮即将来临，经预测，到2020年，我国动力电池退役电池将到12万—17万吨。我们政府方面做了很多工作，比如工信部下发了《关于做好新能源汽车动力蓄电池回收利用工作的通知》，这里面关键的基础，我们在退役电池的梯次利用主要关注在快速分享方面。

第一节，梯次利用意义非常重大，其中主要的是可以降低储能的成本，促进我国的节能减排和循环利用等产业可持续发展，往高里说就是提高生态文明的建设水平。

第二节，国内外梯次利用的实践。梯次利用最感兴趣的就是各个新能源汽车厂商，因为他们推出了新能源汽车以后，像我们国家当时提出了电动汽车的电池退役以后两个责任主体，一个就是新能源汽车厂商，还有一个就是电池提供商，所以各个新能源汽车厂商其实对于梯次利用也都非常感兴趣。

第一个案例是通用汽车，通用汽车最早推出的是沃兰特的增程车，他是16千瓦时的电池系统，他当时沃兰特有很多样车，里面电池退役了，当时跟ABB做了一个案例，将无组型或者放在车上的蓄电池重新整合成25千瓦/50千瓦时的模块化装置，可以放在美国的比如house里面或者社区储能里面，可以支持3—5个美国家庭的2小时电源供应，比如家里屋顶有光伏的话，可以跟光伏配合起来使用。

日本尼桑他最早推出的电动汽车品牌是Life，他的这款电动汽车的电池系统是24度电，后来由于电池性能的提高、能量密度的提高、成本的下降，他系统电池容量越来越高，达到40千瓦/60千瓦时的样子。2014年，将16辆日产聆风的的退役动力电池和光伏配合使用，平滑光伏的输出功率。

各种电动汽车里面日产尼桑的市场占有率还是非常高的，2018年的数据，市面上Life电动汽车储量达到30万辆的规模，所以他也非常关注退役电池怎么来利用好，他也做了一些案例，比如通过实验室测试来分析各个退役电池的一致性的工作。

日本退役电池叫再生电池，根据容量来说，如果退役电池衰减不是很厉害，达到90%以上的话，可以在电动汽车使用，如果80%左右用在低速电动汽车上，因为他是汽车厂商，所以关注的还是汽车上怎么用好，当衰减更多的时候可以作为备用电池系统。退役电池最大的好处就是成本比较低，是新电池一半左右的价格，也是比较有吸引力的。

宝马也做过不少案例，有做的比较小的家庭的梯次利用的，也是做了相当于大型储能的案例。宝马i3，最早i3上的电池系统是22度电的，后来由于电池性能的提高、能量密度的提高，就是在原有的电池框架的基础上将22度电提升到33组电，也可以看出来电池技术发展是比较迅猛的，能量密度提高一半。他将新电池，如果整个电池包衰减的一致性比较好，大家都均匀的衰减到70%或者80%的情况下，整个电池包加上逆变器把协议打通，其实就可以作为储能系统来使用，这样子改造的成本也相对会比较低一点，这是一种情况。

他也有做成比较大的储能电站，这个是跟光伏配套来使用的这样一个案例，他整个电池储存里面就储存了很多的电池包。这个案例里也是，整个电池包不拆解就进行使用，跟风力发电来配合使用。

另外是他做的最大的一个退役的储能的案例，是100多辆宝马上的2600个退役电池模组，建立了2.8兆瓦时的退役电池的储能电站，这个储能是调频进行使用的，保持电网的稳定。

凯美瑞做的电动汽车大家可能听到的也不是很多的，他做的是插电式的，原来一款车叫凯美瑞混合动力车，这个混合动力车里头的电池其实是一个启动电源，容量非常小，只有1度电，就是把208个凯美瑞的电池组也做成一个储能系统，一个85度的储能系统，用在美国黄石公园的太阳能发电站里面，跟光伏来配合使用。这个案例里边最大的借鉴意义是什么呢，这个放电深度比较浅，放电深度我计算了一下在50%左右，也提出来了对于梯次利用旧电池使用的策略不能深度充放电，要浅充放电的模式。

我们国家在梯次利用方面其实有很多案例，每个省也都有自己的电力构思在主导的，还有一些新能源汽车厂商或者电池厂商在主导的梯次利用的案例，这个是去年的一个案例，这个案例系统页比较大，1.1兆瓦时。这个案例我觉得可以借鉴的是什么，每个储能单元采用组串式的并联，这样的好处就是电池基本单元的一致性就可以忽略掉了，就没有这个事情了，我觉得这是一个比较好的方式。另外一个，他又在一个工业园区里面的削峰填谷、需量电费的管理，使用策略一个是浅充浅放，另外放电倍率比较低，0.2C。计算了一下，他整个储能系统成本大约在1块钱/瓦时的样子，相对来讲还是比较低的。

说到各个汽车厂商梯次利用的一些案例，不得不提到一个特斯拉，特斯拉其实我们去看一些报道，好像没有关于特斯拉在梯次利用方面的一些案例报道，我分析可能以下几个原因：第一个，现在用的电池是21700，已知的在电池里面能源密度最高的，达到300瓦时/千克的样子，虽然是圆柱形的21700，它的容量比一般的圆柱形的容量还是高很多，可以达到，有的报道是5安时，我看到一个报告5.75安时，总规5安时以上，相对这个容量还是比较小的，在特斯拉的电池系统里面有7千到8千个电池串并联起来才组成他的比如100度电、80度电的电池系统、动力电源系统。这个豆粒电池在他的寿命达到终止的时候，你想七八千个电池，它的不一致性就非常显著，这是一个原因。第二个原因，他本身的新电池的成本就做的很低了，也是看到的报道，21700的电池系统售价在170美元/千瓦时，也是合到1元/瓦时的样子，他新电池就做到了我们旧电池的成本了，在梯次利用上挖掘他的价值没有什么意思。第三个，他使用的是三元电池，正极材料是镍钴铝。

第三个，宣传一下电力学院在电池方面的工作。有一些研究平台，科委的省部级的平台，一个是上海电力转换工程技术研究中心，是跟上海公司联合申请的，还有一个是上海市电力材料与材料重点实验室，我们一帮老师在这两个平台上进行工作的。

这是我们实验室的一些情况，我们这里头有一些充放电机或者电池检测设备，还有微网系统、电化学工作站，可以测电池的内阻等等情况做一些分析，另外材料的设备也是有的。

在前期的储能研究过程中我们也做了一些工作，比如说制定了上海市地方标准，这个标准是智能电网用储能电池性能测试技术规范，也获得了一些奖项。

这是申请的一些专利，蓝颜色的就是在申请、在实施的过程中，红颜色的是已经授权的，前三个专利都是在梯次利用做的一些工作。这是授权专利证书的情况。也发了一些文章，现在主要的工作就是在梯次利用上。承担了一些项目，这里非常感谢科学院新能源研究所的项目，另外还有其他的一些项目，三个都是2018年的项目。

第四个，梯次利用中的问题探讨。我从以下几个方面来说：

第一，退役电池的容量衰减问题。我们做过几个案例，我们也统计了电池衰减的情况，这个案例是荣威E50上的电池，我们从电池模组的角度进行衰减，这是20个3P3S的退役电池模组，单芯容量20安时，模组容量60安时，我们对模组的容量因为衰减的不一致，有些衰减的快、有些衰减的慢，我们看到底容量是多少。我们对20个模组来分类，SOH在90%以上的13个，在80%—90%的有5个，80—70%的有1个，70—60%的有1个，换句话说，这20个模组里边其实大部分衰减的不厉害，只有少部分衰减到80%、70%、60%以下，而且数量也很少。从模组的角度来看，电池的衰减情况是参差不齐的，有些衰减的厉害、有些衰减的不厉害，另外大部分来讲，衰减的并不厉害。因此从模组的角度来进行梯次利用，其价值更有可挖掘的潜力。

另外我们做的另一个案例，奇瑞电动汽车的电池，是圆柱形的26650的天津比克的，整个模组的容量是40安时，我们也对24个模组进行容量测试，来看它的衰减情况，分为3组，SOH在90%的有14个，90%—80%的有8个，80%—70%的有2个，低于70%的没有。从这里我们也看得出来，其实从电池系统角度容量衰减80%或者70%，其实大部分里面的模组衰减的并不厉害，只是有某一个或者某几个模组或者某一个或者某几个模组中的某些担心，性能衰减的比较快，所以脱离了整个系统的容量下来了，这个就是大家常说的木桶效应。但是我们从这些数据里可以得到一个启示，如果整个电池包退役下来了以后，我梯次利用怎么利用呢？我如果从模组的角度进行梯次利用的话，是不是有更多的剩余价值可以挖掘。

第二，退役电池的循环寿命问题。这个也是以奇瑞这个模组做的循环，这个时间也很长的，我们做了2C充/2C放、1C充/1C放，还有削峰填谷模式，就是1/3额定功率冲/1个额定功率放，削峰填谷的模式下进行梯次利用的话1800次，大约5年的样子。所以对于旧电池来讲，低倍率的充放电制度下，梯次利用的使用寿命还是可以达到5年左右的，这是寿命的问题。

第三，能量转换效率的问题。我们也做成一个储能系统，我们跟光伏配合使用，能量转换效率在88%左右，比新电池90%几稍微低一点，但是也还可以。

第四，这是电池功率的事情。这个功率能不能放得出来，比较大的功率情况下持续时间是什么样的情况，我们做过一串的、两串并起来的，一个模组、两个模组串起来的、四个模组串起来的情况，我们发现放电持续时间接近理论的放电时间。

第五，一致性快速分解。这方面我们做了一些工作，由于担心退役电池的性能，从单芯的角度做一些分析，像身体健康检查一样的，各方面检查，分析到电阻的情况得到这么一个规律，退役电池的容量跟锂离子扩散系数呈显著正相关，就是那张图，锂离子扩散系数大的容量高，容量高的锂离子扩散系数大。我们从模组的角度进行快速拆解做了一些工作，这张图应该是5%、10%、3%，发现低SOC下退役电池模组的最大开路电压差跟电池容量呈线性负相关。刚才是开路电压的情况，我们也从工作电压的角度来进行分析，我们发现可以得到更好的规律，通过一定的计算，计算出一个参数叫Lorenz的离散度，Lorenz发现这个离散度在不同的SOC范围里面，Lorenz这个参数跟SOH之间呈线性负相关。我们也把它做成一个软件，我们希望通过这样一个软件来快速进行率选，我们现在正在跟奇瑞方面洽谈合作的事宜。

第六，刚才讲的这几个案例里面我小结一下。

1，动力电池系统的容量可能低于80%以下，这是退役电池退役的标准。但是其中很多模组的容量仍然具有不低于80%的容量，这个就提示我们如果梯次利用，它的剩余价值最大挖掘我们从模组角度利用可能更好。

2，单芯容量量较大的退役电池可考虑从单芯角度进行梯次利用，对单芯容量较小退役电池从模组角度来讲可能更好，可以挖掘出最大的剩余价值。

3，对退役电池怎么用，在低倍率的充放电，就是浅充浅放的状态下，倍率比较低的情况下进行使用，它的梯次利用寿命可以比较长，可以达到5年的样子。

4，梯次利用一致性好的退役电池撤下来以后，仍然表现出比较好的功率特性，前提是一致性较好的进行串联。退役电池成组的退役转换效率比较高。

5，对与退役电池一致性变差以后，我们要从低成本角度考虑梯次利用的话，一个工作肯定要做，就是说一致性的快速衰减。这也是工信部通知里面提出的要求。