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退役动力电池梯次利用的关键技术点

动力电池梯级利用的理论易于理解,但在实际应用场景中常遇到一系列问题,障碍其大面积推广。随着技术进步,多项问题正在逐步解决,助推其商业化应用。
 
其中最主要的问题就是电池的稳定性和一致性问题。为了解这个问题的解决方案,我们对煦达新能源动力电池梯级利用项目进行了调研。目前煦达采用三步方案来针对上述问题进行解决,具体如下。
 
首先是对退役动力电池的筛选。我们知道,由于电池的设计寿命、产品品质和使用情况的不同,动力电池退役时的状态也参差不齐。关于这一点,新能源与储能运行控制国家重点实验室副主任来小康在2017国际电动汽车动力电池产业发展与技术创新峰会上曾经介绍:2012年以前我国生产的许多动力电池,由于未经大规模批量化的生产,生产规范和自动化生产水平都还未得到发展,因而产品品质也较难保障,一些动力电池虽然参数合格但实装使用后容量衰减得非常快。而根据市场调研和实际筛选的结果来看,2012-2013年我国投入运营的动力电池中,乐观估计符合梯次利用条件的电池容量仅占退役动力电池总容量的50%左右,另有10%左右可以进行简单维修后使用,而其余相当一部分电池只能直接报废。这一情况在2014-2015年投运的动力电池上则有所改善,由于具备了更为严谨的设计体系以及大规模自动化的生产工艺,该阶段以后生产的动力电池品质有了较大的提升,保守预计能够进入梯级利用的动力电池容量比例可达60%-70%。因此,对动力电池梯级利用解决方案供应商来说,对退役动力电池进行筛选是第一步。
 
第二是组串式应用。退役动力电池来自于不同阶段的不同车型,相互之间参数差异较大,如采用并联集中式的设计方案,则电池一致性无法保障。对此,前文提到的煦达新能源项目案例,做法为:将每辆电动车上拆下来的一套动力电池组作为单独的单元,配以中小功率的储能逆变器,形成一个基本的储能单元,再将多个储能基本单元集成在一起形成中大型储能功率系统。这样的应用方式其实并不新鲜,其“基因”来自于早先的光伏系统:2011-2012年前后单台光伏逆变器的容量还较小,1MW光伏发电单元通常由2台500kW逆变器或4台250kW逆变器并联组成。一个比较极端的情况是华为的解决方案,采用50台20kW逆变器组成1MW光伏发电单元。可见多逆变器并联集成的系统方案在技术上是具备可实现性的,当然小功率逆变器的单瓦价格一般会高于大功率逆变器,但优点是可以最大化地发挥每一组光伏电池板的发电能力。该方案应用在储能项目上,则能够实现对每一个储能单元更为精细化的控制。
 
第三是充放电管理。目前基于铅炭电池的“削峰填谷”项目,其电池容量与功率的配比一般为8:1,也即放电倍率为0.125C,例如:南都电源的近期投运的无锡新加坡工业园储能项目。由于“削峰填谷”属于供电补充,其运行状态下的电流变化相对稳定。而动力电池则对放电倍率要求较高,根据国标来看至少应为1C,实际行驶中其瞬时放电倍率可能达到2C甚至更高,且运行过程中电流波动的波频和波幅更高。退役后的动力电池显然无法再在如此高的放电倍率下工作,根据煦达的实测数据,退役动力电池在“削峰填谷”储能项目中,放电倍率应控制在0.2C甚至更低,此时电池组中单体电芯的电压差可以稳定在20mV以内,属于较好的情况。另一点是要对放电深度进行调整,动力电池容量衰减后有效容量已经不足,再使用原有的容量下的放电深度策略,可能导致过度放电时的电压波动,因此需要根据电池的实际情况对容量和放电深度进行调整。以溧阳项目为例,目前采用的电池充放电倍率约为0.164C,放电深度为衰减后电池容量的90%。
 
目前项目仍处于投运初期,相关运行数据较少,期待后续运行数据对上述技术方案作进一步验证。
 
退役动力电池梯次利用经济性测算
 
关于退役动力电池在“削峰填谷”储能应用领域的经济性问题,我们可以就煦达动力电池梯级利用项目的公开数据进行一个简单的测算。根据《能源报》2017年9月18日的披露,该项目的储能系统容量为1.1MWh,单位系统成本约为1元/Wh;根据项目报道采样的两个日期样本9月5日和9月6日数据显示,当日售电收入分别为629.103元和622.588元。基于以上项目信息我们作出如下假设:
 
1)项目回收期第1年的每日收益取采样点9月5日和9月6日收益的平均值,也即625.8455元/日;
 
2)根据应用场景,我们合理假设储能系统每年可有效运行320天,回收期第1年存售电收益约20.027万元;
 
3)根据磷酸铁锂循环经验曲线,假设项目运营周期10年,其间退役动力电池总容量衰减20%,年均衰减2%;
 
4)放电深度保持为90%,谷时充电不足的部分由平时充电补足,溧阳市的峰平电价差为0.44元/kWh;
 
5)本次项目采用集装箱部署,因此暂不考虑场地成本,系统维护费用取年均0.15万元;
 
6)储能项目考虑享受税收优惠,本次测算取所得税率为10%;静态测算暂不考虑融资成本(贷款利率)。
 
退役动力电池梯次利用项目投资回报测算具体如表23所示。
 退役动力电池梯次利用的关键技术点(图1)
 
可以看到,测算中项目税后累计现金流在第6年成为正值,即静态6年回收投资成本,项目全周期的税后内部收益率为9.86%。我们认为,如获成功,该项目将具有较强的推广价值。

加强协会在新能源汽车动力电池回收利用领域与相关产学研用单位的联系,组织和承担新能源电池回收利用领域的政策宣贯、标准制订、展览展示、技术和人才交流、业务培训、科技成果鉴定与推广应用等活动。
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