退役動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車發(fā)展很快。由于國家政策上的支持，電動(dòng)汽車的市場保有量增長非常迅速。2013年，電動(dòng)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(fèi)大國，電動(dòng)汽車的市場也已經(jīng)逐漸成熟起來。對于電動(dòng)汽車，其對動(dòng)力蓄電池性能要求較高，在使用了若干年后，性能會(huì)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(gè)值時(shí)（通常為初始容量的80%），就不能滿足電動(dòng)車使用要求，就必須退役下來。

隨著電動(dòng)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(dòng)力電池的回收及利用對于電動(dòng)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(gè)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(dòng)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(lì)發(fā)展專業(yè)化的電池回收利用企業(yè)。嚴(yán)格設(shè)定動(dòng)力電池回收利用企業(yè)的準(zhǔn)入條件，明確動(dòng)力電池收集存儲、運(yùn)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(shí)上，退役動(dòng)力電池并沒有完全報(bào)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(jià)值，實(shí)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(dòng)力電池的處理方式主要有無害化報(bào)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(jià)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(gè)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(gè)均勻的過程，對于新電池，開始使用時(shí)，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(shí)，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(shí)際壽命可以得到延長。因此，對于退役動(dòng)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(jià)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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)力電池的分選、重組到儲能利用提供了一個(gè)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(dòng)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(shí)間的使用后，在退役時(shí)，動(dòng)力電池在性能上明顯會(huì)出現(xiàn)衰退。因此，為了保證安全，首先要對退役的動(dòng)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(gè)問題：①電池的安全性。退役電池由于經(jīng)過了長時(shí)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(huì)出現(xiàn)安全事故。對于退役動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，對于退役電池，還要考慮電池在梯次利用階段時(shí)，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(dòng)力電池，一部分電池在車載使用階段具有完整的運(yùn)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(shí)，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(shí)考慮退役時(shí)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(dòng)力電池，在車載使用階段，其運(yùn)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(jì)。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(gè)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常或者濫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(shí)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(gè)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(qiáng)的特點(diǎn)，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(shí)，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(dòng)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(shí)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(yùn)行階段的運(yùn)行記錄以及后期的檢測及預(yù)測。因此，為了實(shí)現(xiàn)商用領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，需要對電動(dòng)車在車載運(yùn)行階段的運(yùn)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(dòng)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(jià)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(shí)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(shí)，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(dòng)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。