中國電科院楊凱：梯次利用電池在電力儲能的應(yīng)用研究
圖為中國電科院楊凱在CBIS2018“鋰想”峰會上發(fā)表主題演講
戳此進(jìn)入峰會官方專題，了解更多會議信息：“鋰想”2018第三屆動力電池應(yīng)用國際峰會(CBIS2018)
2018年11月8日，以“新時(shí)代·破而立：前行中的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動力電池應(yīng)用國際峰會(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。中國電力科學(xué)研究院儲能電池本體技術(shù)研究室主任楊凱在峰會上發(fā)表主題演講，以下為主題演講內(nèi)容。
中國電科院楊凱：
大家好！我來自于中國電力科學(xué)研究院，主要是做一些電化學(xué)儲能相關(guān)的工作。梯次利用我認(rèn)為是橫跨動力電池領(lǐng)域和整個(gè)儲能領(lǐng)域的行業(yè)，我今天下午主要是介紹一下我們在梯次利用方面的部分工作。
三個(gè)方面：
第一，背景方面。梯次利用這個(gè)行業(yè)是比較火的，近幾年來熱度不斷提升，背景來說大家應(yīng)該很清楚，近幾年電池退役的量急劇增加，我們判斷在2020年大概20GWh，2025年大概90GWh。從梯次利用定義來說就不多講了，說的簡單點(diǎn)就是，電動汽車?yán)猛甑脑趦δ苌厦胬^續(xù)用。我這里想講的是，梯次利用電池主要應(yīng)用的領(lǐng)域我們認(rèn)為主要有三個(gè)方面：低速電動車、電網(wǎng)應(yīng)用、通訊基站的應(yīng)用。而在這三個(gè)場景當(dāng)中，電網(wǎng)的應(yīng)用又是它的主要應(yīng)用場景。為什么這么說？因?yàn)殡娋W(wǎng)應(yīng)用的場景非常豐富，它能給不同狀態(tài)的梯次利用電池提供不同的應(yīng)用場景，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池最大化的應(yīng)用，所以我們認(rèn)為電網(wǎng)的應(yīng)用是梯次利用電池最主要的應(yīng)用場景。
作為梯次利用的意義來說，簡單說來，兩個(gè)經(jīng)濟(jì)因素、一個(gè)環(huán)保的意義。經(jīng)濟(jì)上的意義，梯次利用電池延長整個(gè)電池的使用壽命，對于電動車這個(gè)方向來講，它的初次采購成本，如果考慮未來梯次利用的話，它的初次采購成本是有可能降低的。同樣，這樣的電池到了儲能這個(gè)行業(yè)肯定比新電池還是要便宜的，所以也能降低整個(gè)在儲能環(huán)節(jié)的成本。第三方面就是環(huán)保意義。
作為梯次利用來說，目前國內(nèi)和國外主要的情況是這樣的，國內(nèi)來說，做梯次利用有這么幾個(gè)主力，一個(gè)是車廠，像比亞迪、北汽，再一個(gè)是鐵塔公司，因?yàn)樗幕痉浅６?，它是其中的一個(gè)，剛才我們說的通訊基站應(yīng)用的主力，再就是電網(wǎng)公司，像國家電網(wǎng)、南網(wǎng)，再有就是一些民營企業(yè)。
國外來說，基本上是以汽車公司為主，他們應(yīng)用為什么以汽車為主？因?yàn)槠噷φ麄€(gè)電池的狀態(tài)是非常了解的，有先天的優(yōu)勢，同時(shí)這些電池本身應(yīng)用起來從產(chǎn)權(quán)到數(shù)據(jù)各方面都有先天的優(yōu)勢，所以基本上是車廠在做一些主導(dǎo)。梯次利用電池來說，從技術(shù)這個(gè)層次開展的主要就是狀態(tài)的評估，簡單說就是一個(gè)電池拿到這兒以后，健康狀態(tài)是多少，還有多少容量，還能用多久，然后就是分選重組，然后就是電熱管理，安全管理，后面我會講到，安全管理應(yīng)該是梯次利用電池當(dāng)中我們認(rèn)為是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因?yàn)榇蠹乙仓?，近兩年，?017年到現(xiàn)在，儲能的安全事故、召回事故非常多，電動車不妄下結(jié)論，但是儲能確實(shí)從去年到現(xiàn)在安全事故非常多。所以梯次利用的安全隱患比新電池安全隱患還要大。因此，在安全管理方面挑戰(zhàn)會更大。
從技術(shù)路線發(fā)展來講，主要分為兩個(gè)階段，第一階段，2015年以前，當(dāng)時(shí)梯次利用大家剛剛開始做研究的時(shí)候，當(dāng)時(shí)這個(gè)技術(shù)路線就是拆解，一直把它拆到單體，然后再對每個(gè)電池測試完以后再進(jìn)行重組。這個(gè)方法應(yīng)該講，作為分選、包括對電池一致性方面，應(yīng)該講是有好處，但是違背了梯次利用在電網(wǎng)應(yīng)用最根本的宗旨就是成本，我們知道儲能應(yīng)用三大條件，高安全、低成本、長壽命，在梯次利用這個(gè)環(huán)節(jié)我們始終要強(qiáng)調(diào)的是一個(gè)成本，因?yàn)槿绻f電池的成本比新電池還高，梯次利用的路子是死的，直到今天仍然有人說，梯次利用到底這個(gè)事靠譜還是不靠譜，盡管說不太清楚，但是成本是追求的因素之一。這個(gè)技術(shù)路線成本很顯然太高了，現(xiàn)在基本上已經(jīng)被淘汰掉了。2015年以后的使用，基本上是在模組這個(gè)級別上的應(yīng)用，主要的就是通過一些歷史的數(shù)據(jù)來估算退役時(shí)候的容量等等這些特性，模組再進(jìn)行應(yīng)用，這是目前梯次利用這個(gè)技術(shù)，從全世界范圍內(nèi)來看一個(gè)主流的技術(shù)趨勢。
下面介紹一下在我們做的梯次利用方面部分的工作，剛才講到，我們認(rèn)為電網(wǎng)的儲能應(yīng)用是消納退役電池最有效的手段之一，目前來講，因?yàn)楸旧淼蛢r(jià)格，能夠給整個(gè)儲能應(yīng)用低成本創(chuàng)造一些新的機(jī)遇，目前從價(jià)格可以看到，退役價(jià)格的電池基本是新電池價(jià)格的一半左右。
我今天介紹的這部分工作，是對主流的三款梯次利用做評估，第一個(gè)，2008年奧運(yùn)會電動大巴上退役下來的電池，是錳酸鋰的電池，2012年退役的，另外一款是比亞迪的電池，從深圳的K9公交車上退役的電池，是2015年退役的，還有國家電網(wǎng)公司在青島薛家島有一個(gè)充換電站，是2016年退役的，下面兩個(gè)是磷酸鐵鋰的，上面一個(gè)是錳酸鋰的電池。
當(dāng)時(shí)錳酸鋰的原始容量是90安時(shí)，它退下來的時(shí)候基本上容量在一半左右了，大概55%左右，我們從容量分布圖可以看到，基本上大部分容量在55%左右，就是45—55安時(shí)之間，內(nèi)阻分散性比較大，基本上內(nèi)阻在原電池的2倍以上，容量保持率還好。我們主要測了一下這個(gè)電池溫升的特性、倍率的特性，我們在主流產(chǎn)品應(yīng)用做的重要的工作是，來根據(jù)電網(wǎng)應(yīng)用的場景估算電池能用多長時(shí)間，我們做估算來看，因?yàn)檫@個(gè)電池我們拿過來以后發(fā)現(xiàn)總體性能比較差，所以我們先是評估了一下，在電網(wǎng)相對來講備用工況是儲能應(yīng)用工況里面相對來講最溫和的工況了，這樣的工況下做測試，評估剩余壽命還能再用3天，在削峰填谷應(yīng)用就是全充全放了，這種情況下的壽命大概1500次。平滑來講，這個(gè)電池的差異性就變得比較顯著，從這個(gè)分析來看，這些電池做平滑的應(yīng)用是不太合適的。
對安全性的評估，我們依據(jù)當(dāng)時(shí)的電池安全性的標(biāo)準(zhǔn)來測這個(gè)電池的話，電池安全性是沒有問題的，通過這些標(biāo)準(zhǔn)都沒有問題的，而且在后面兩款梯次電池在單體電池依據(jù)當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)測安全性來看，基本上安全性都能過。這個(gè)電池因?yàn)楫?dāng)時(shí)量不是特別大，我們做了一個(gè)100千瓦時(shí)的儲能系統(tǒng)，放在了大興換電站旁邊，作為備用電源，這個(gè)系統(tǒng)用了很短的時(shí)間，從循環(huán)次數(shù)來講大概不超過50次，時(shí)間大概在4個(gè)月左右，這個(gè)系統(tǒng)就沒法用了，為什么沒法用了？就是電池的差異性快速的分散，最后造成電池的一致性極差，根本無法使用。從這個(gè)應(yīng)用的案例來講，這就算是一個(gè)梯次利用失敗的案例，從這個(gè)案例上我們發(fā)現(xiàn)，在2012年以前的電池，當(dāng)時(shí)的電池整個(gè)生產(chǎn)工藝和技術(shù)水平來講，還不是特別的先進(jìn)，因此電池先天的一致性不好，再經(jīng)過動力電池應(yīng)用以后，再在儲能上面用，基本上沒有什么意義。因此我們判斷，做梯次利用電池應(yīng)用，基本上2012年以后的電池還可以考慮。
這款就是剛剛說到的比亞迪的200安時(shí)電池，在這個(gè)圖上可以看到，這個(gè)電池原始的容量是200安時(shí)，退下來以后大概容量在85%左右，內(nèi)阻增加很小，基本上增加了10%的樣子，整個(gè)電池一致性還是不錯的。
同樣我們測試了電池的倍率、充放電特性，測整個(gè)電池的溫升特性，從溫升特性上可以看到，這種電池在梯次利用場合用的話，建議工作電流應(yīng)該控制在0.5C以下，我們建議要在0.5C以下的工況下應(yīng)用。
這個(gè)電池的高低溫特性，大家可以看到，在零度充放電的能量百分比還是90%以上，我們重點(diǎn)關(guān)注一下在儲能這個(gè)工況下的應(yīng)用可以看到，在全充全放的工況下循環(huán)4千次以后容量保持率還能達(dá)到93%，這個(gè)容量保持率跟退下來的時(shí)候相比，不是跟新電池相比，是跟退到我們這里的狀態(tài)相比，在平滑的工況里面，一般用20%的GOD工況模擬，可以看到這個(gè)電池還是不錯的。安全特性剛才講到，通過安全特性測試標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)系統(tǒng)做的150千瓦、1兆瓦時(shí)的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是在我們國家電網(wǎng)公司在張北有一個(gè)風(fēng)光儲基地（儲能實(shí)驗(yàn)室），在這上面做一些示范運(yùn)行，基本上做一些平滑、削峰填谷的工況，這個(gè)電池的運(yùn)營從2016年初運(yùn)行到現(xiàn)在，這個(gè)狀態(tài)還是很不錯的，一直比較穩(wěn)定。
第三款電池，青島薛家島電站22安時(shí)的電池，應(yīng)該講主體的電池來自于萬向，新電池是22安時(shí)，退下來以后主體的容量大概在17安時(shí)—19安時(shí)之間。同樣也是測了一下溫度，這個(gè)結(jié)論跟前面差不多。
從低溫的充放電來講也是不錯的，零度以下大概在90%以上，壽命還是可以的，100%DOD在1400次，跟前面比亞迪的還是有差距的，20%的DOD大概1000次，安全性也沒有問題，通過當(dāng)時(shí)的測試也沒有問題。這個(gè)電池已經(jīng)建設(shè)完成，是在國家風(fēng)光儲的二期當(dāng)中，3兆瓦、9兆瓦時(shí)的系統(tǒng)，目前正在進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。
從我們這幾年做梯次利用來講，我們有幾點(diǎn)體會跟大家分享一下：
第一個(gè)體會，剛剛反復(fù)講到了，不是所有的電池都具備梯次利用的價(jià)值，我們基本把這個(gè)線劃到2012年比較合適。
第二個(gè)體會，梯次利用當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。剛才我講到國內(nèi)也好、國際也好，在做梯次利用電池的時(shí)候其實(shí)真正從技術(shù)環(huán)節(jié)上來說，我們認(rèn)為還沒有做的特別細(xì)致，很關(guān)鍵的幾個(gè)步驟，比如電池的健康狀態(tài)評估，健康狀態(tài)還能有多久，目前這個(gè)方法大家做的還比較膚淺，安全性方面，我說的不是電池本體的安全性，而是電池應(yīng)用環(huán)節(jié)的安全性，這個(gè)跟電池廠所說的提升電池本體的安全性是有比較本質(zhì)的差別的，我們所說的是應(yīng)用環(huán)節(jié)的安全性，大家如果有機(jī)會看看現(xiàn)在做的儲能工程來說，在這方面幾乎是很缺失的，一旦有問題的話不可破。目前大家可以看到，目前的儲能系統(tǒng)來說，一旦要著火的話基本上會燒光，很難控制住的。所以我說技術(shù)環(huán)節(jié)上還需要進(jìn)行深入的研究。
第三個(gè)體會，對于梯次利用電池一定要找合適的應(yīng)用場景，電網(wǎng)應(yīng)用的場景非常豐富，可以給不同狀態(tài)的電池找到合適的場景。
第四個(gè)體會，從未來的梯次利用來說性能肯定會越來越好，因?yàn)樘荽卫酶码姵氐乃教嵘窍噍o相成的，新電池好了，梯次利用性能肯定會越來越好，價(jià)格也會不斷降低，因此，梯次利用我們認(rèn)為還是有應(yīng)用的價(jià)值的，應(yīng)用的技術(shù)還是要研究，還是要發(fā)展的。這是我們的觀點(diǎn)。
第五個(gè)體會，講到了所謂電池全壽命周期，在一開始，在電動車應(yīng)用的時(shí)候就應(yīng)該考慮到梯次利用的環(huán)節(jié)，包括歷史數(shù)據(jù)，這是很重要的一部分資源，為什么現(xiàn)在在國外很多車廠在做主導(dǎo)，其實(shí)掌握這個(gè)歷史數(shù)據(jù)是很重要的資源，能夠通過歷史數(shù)據(jù)的分析來判斷電池的健康狀態(tài)，其實(shí)要把一個(gè)電池，在不知道歷史數(shù)據(jù)的情況下放在你的面前，讓你馬上說出電池的健康狀態(tài)怎么樣、有沒有安全隱患、將來還有多長時(shí)間，是很難做的工作，盡管現(xiàn)在這個(gè)工作我們一直在做，包括今年一個(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的課題，專門研究梯次利用，里面專門有一相內(nèi)容就是研究這個(gè)，但是這個(gè)工作非常難，用歷史數(shù)據(jù)可能就會節(jié)省很多的精力。
最后一個(gè)，國家在這個(gè)層面也是不斷的扶持，機(jī)制從梯次利用來講，從2016年到現(xiàn)在熱度不斷增加，我們也認(rèn)為，從我們國網(wǎng)公司這幾年的研究和應(yīng)用來講，我們認(rèn)為還是非常有前景的行業(yè)。
以上就是我講的內(nèi)容，謝謝大家！
（根據(jù)嘉賓現(xiàn)場演講整理，未經(jīng)本人審閱）
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