动力电池梯级利用的技术和商业化探索

1、动力电池梯级利用的技术和商业化探索电动汽车资源网2015-11-30 10:33:38新能源汽车 行业动向 产销分析阅读(353)评论(0)声明：本文由入驻搜狐公众平台的作者撰写，除搜狐官方账号外，观点仅代表作者本人，不代表搜狐立场。举报动力电池梯级利用的技术和商业化探索来源：电动汽车资源网特约作者：夏军一、 井喷的电动汽车市场2014年是中国电动汽车市场正式启动的元年，此前多年的政策推动、技术积累、市场需求在这一年达到了共振，使得电动汽车呈现出产销两旺的局面。据相关数据统计，2014年，中国共生产纯电动乘用车3.55万辆，插电式混合动力乘用车1.7万辆，纯电动商用车1.1

2、万辆，插电式混合动力商用车1.1万辆，合计总共生产电动汽车7.45万辆。进入2015年，狂热的势头有增无减，市场继续以令人膛目结舌的速度快速发展，据工信部发布数据显示，2015年10月，我国新能源汽车产量5.07万辆，环比增长55%，同比增长8倍。2015年110月，新能源汽车累计生产20.69万辆，同比增长3倍。其中，纯电动乘用车生产8.71万辆，同比增长3倍，插电式混合动力乘用车生产4.55万辆，同比增长3倍；纯电动商用车生产5.93万辆，同比增长9倍，插电式混合动力商用车生产1.50万辆，同比增长88%。截止到2015年10月底，我国已经累计生产各类型新能源汽车超过了32万辆。整个产业的

3、发展速度超过了绝大多数人的想象，以至于产业链的上下游企业都没有做好准备，来迎接如此凶猛的产业化浪潮。以电动汽车的核心零部件锂电池为例，产业最前端的锂矿并未大规模扩产，产能不能满足成倍增长的市场需求，在全球大宗商品持续走低的情况下，电池级的碳酸锂价格从年初开始一路走高，由4万元/吨上涨到7万元/吨，预计年底有望上升至8万元/吨，市场资源极度紧张，常常有价无市。钴，镍等稀有金属资源也在加速去库存，有可能在明年产生供给缺口，上演锂资源的上涨行情。中游的电芯企业，受制于原材料供给不足和产能扩张速度较慢，产品也是供不应求的状态，成规模的电芯企业从今年下半年开始就很少接新的订单，而是优先满足大客户的订单需

4、求。市场的爆炸式发展，使得所有的企业都在为了满足出货量而加速，为了拿中央和地方政策而奔走，产品的质量问题、安全问题、使用问题、服务问题、售后问题、配套问题层出不穷，一定程度上影响了产业的健康发展。在市场狂热的背后，诸多环节的不完善，不合理，甚至胡作非为，为电动汽车产业的持续发展带来了重重隐患，埋下了一个个定时炸弹。我们需要仔细思考这些问题，提前采取有效的应对措施，避免出现狂热过后一地鸡毛的情况，建立一个产业可能需要几十年的时间，而要毁掉一个产业，也许只需要几年的时间。二、 退役电池去向何处电动汽车产销量的爆发式增长，带动了动力锂电池的同比例增长，2014年我国动力锂电池产量超过4GWh，201

5、5年预计会超过15GWh，而2016年有望达到25GWh。考虑当前动力锂电池市场仍然以磷酸铁锂为主，如果以120Wh/kg的重量比能量来计算，2014年的动力电池总重量超过3.4万吨。按照国务院的规划，到2020年时，新能源汽车市场存量超过500万辆，以一辆车平均配备20kWh的电池来估算，约有1亿kWh（1000 GWh）的锂离子电池进入汽车市场，如果以重量比能量180Wh/kg（预测2020年可达到的指标）来计算，市场流通的动力电池总重量高达555万吨。考虑到锂电池当中含有锂、镍、钴等稀有金属，以及有毒有害的电解质和其他化学材料，如果不能进行妥当的回收利用，不但会造成极大的稀有金属资源浪费

6、，而且会对环境造成巨大的破坏，与创造环境友好的可持续发展经济背道而驰。一般而言，当动力电池使用一段时间或循环一定次数之后，其容量或功率特性衰退较为明显，无法满足车用要求，需要从汽车市场退役。但是，退役的动力电池仍然潜藏巨大的剩余价值，其容量和功率仍然可以满足多种储能场合的需求，如UPS、通信基站、数据中心、电动自行车、风光发电储能等应用。因此，开展梯级利用技术研究，充分发挥动力电池的剩余价值，是非常有必要的。当动力电池的性能衰退到很低的时候，就需要进行报废处理，提炼有经济价值的稀有金属资源，对有毒副作用的化学物质进行无毒化处理，彻底消除环境污染问题。以我国当前动力电池企业和pack企业的技术实

7、力，以及电动汽车整车企业的产业化水平，动力电池的普遍寿命在35年，有些甚至更短。2014年是我国电动汽车发展的爆发元年，按照可使用寿命推算，预计在20172018年左右迎来动力电池集中退役的巨大压力，将有上万吨的动力电池退出市场，等待回收处理。 从当前看，相关企业约有2年左右的时间，可以在退役电池的回收利用方面做技术积累和商业化探索。因此，如何应对电动汽车后市场，合理的回收和利用汽车退役下来的动力电池，不是等电动汽车市场发展到很大规模之后才去考虑和规划的，而是应该在当前，进行技术、市场、产业、政策、环保等各方面的研究和实践，完善电动汽车市场的相关配套体系建设。三、 动力电池回收利用的产业现状国

8、务院在节能与新能源汽车产业发展规划（20122020）中明确规定：“(五)加强动力电池梯级利用和回收管理。制定动力电池回收利用管理办法，建立动力电池梯级利用和回收管理体系，明确各相关方的责任、权利和义务。引导动力电池生产企业加强对废旧电池的回收利用，鼓励发展专业化的电池回收利用企业。严格设定动力电池回收利用企业的准入条件，明确动力电池收集、存储、运输、处理、再生利用及最终处置等各环节的技术标准和管理要求。加强监管，督促相关企业提高技术水平，严格落实各项环保规定，严防重金属污染。”但是，如前文所述，由于电动汽车市场发展太快，相关的产业链远远谈不上成熟，动力电池回收利用的体系还处在非常原始的阶段，

9、目前我国车用动力电池回收利用的现状是：Ø 前几年受电动汽车动力电池市场规模的限制，尚未形成产业化的回收利用市场，无明确的标准规范约束，无政府的财政政策扶持Ø 沿用镍氢、镍镉、铅酸电池的回收处理路线，采用湿法工艺、火法工艺或机械法工艺提取铜、铝、锂、镍、钴、锰等有价值的金属Ø 从事回收利用的企业或单位大多都不具备相关资质和环保条件，回收行为受利益驱使，缺乏监管和约束Ø 相关回收企业规模小、环保没施缺乏、技术落后，综合资源利用率低，回收过程对环境污染严重Ø 退役电池大多数直接报废，拆解和回收原材料，对梯级利用研究不够，仅有示范项目，没有有效的商业化

10、探索Ø 责任主体不清，利益关系不清，车主、整车企业、电池企业、梯级利用企业、报废回收企业尚未形成一条完整的回收利用产业链为贯彻落实节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）和国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见（国办发201435号），引导电动汽车动力蓄电池有序回收利用，国家发展改革委、工业和信息化部会同有关部门，组织研究制定了电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策（2015年版）（征求意见稿）。制定回收利用技术政策的目的，是指导相关企业合理开展电动汽车动力蓄电池的生产及回收利用工作，建立上下游企业联动的动力蓄电池回收利用体系。落实生产者责任延伸制度，电动汽车生产企业

11、（含进口商，下同）应承担电动汽车废旧动力蓄电池回收利用的主要责任，动力蓄电池生产企业（含进口商，下同）应承担电动汽车生产企业售后服务体系之外的废旧动力蓄电池回收利用的主要责任，梯级利用电池生产企业（以下简称“梯级利用企业”）应承担梯级利用电池回收利用的主要责任，报废汽车回收拆解企业应负责回收报废汽车上的动力蓄电池。此外，中国汽车标准化技术委员会车用动力电池回收利用标准起草工作组已于2015年1月完成车用动力电池回收利用拆解规范、车用动力电池回收利用余能检测两个国家推荐性标准的行业意见征求，相关国标的制定工作在稳步推进当中。从政策制定者的角度来看，应该说政府已经充分意识到了建立动力电池回收利用体

12、系的重要性和紧迫性，在标准和规范方面展开部署，引导相关的责任企业建立完善的回收利用产业链。从已收集的梯级利用案例来看，在理论研究和示范工程方面较多，在商业化推广方面，国内还处在初期的探索阶段，国外已有商业案例。美国创业公司FreeWire利用退役动力电池研发移动式充电产品，面向家庭和楼宇，成本可以做到100/kWh，折合人民币0.6元/Wh，如果规模化提升，成本还可以进一步降低，已经具备相当大的经济价值。国内的电动汽车龙头企业比亚迪也在积极开展梯级利用的商业化研究，采用退役的动力电池探索大规模的梯级利用产品，走在了国内企业的前列。针对梯级利用的商业利益分析和技术可行性分析，已经持续进行了十年以

13、上，相关的研究文章和分析报告也为数不少，已经为产业化的发展积累了一定的理论基础。在示范工程方面，大多集中于分布式发电、电网储能和充电站等，多为中大规模的电池系统，比较适合课题性的研究和成果的展示，在应用方面的探索，应该集中在工业和民用领域。四、 动力电池梯级利用的技术难点分析梯级利用的最大价值在于低成本，以较低的成本，获得较高的性能，从而在某些应用场合获得良好的经济效益。因此，梯级利用的技术研究一定要以低成本为核心，脱离这个着眼点，很容易陷入为追求技术指标而忽略商业价值的困境，使得梯级利用的商业运作步履维艰。如果以铅酸电池的价格作为参考，利用梯级利用的动力电池进行二次开发，推向市场的模组或系统

14、级产品，其产品单价的合理区间应该在0.50.8元/Wh。要达到这个目标，梯级利用的技术需要着重考虑几个方面。1. Pack拆解工艺和规范从整车退役的动力电池，一般是把Pack从车上整体拆卸下来，在做梯级利用之前，需要将pack拆开，获得电池模组或电芯。考虑到电芯之间的连接方式一般都是焊接（激光焊，电阻焊，超声波焊等），如果要拆解到电芯级别，就会对电芯极柱，电芯外壳，以及电芯内部造成不同程度的损伤，有可能造成电芯安全问题或电芯报废，所以这种方式是不可取的。真正合理的做法是电池模组之间是软性连接设计，拆解时只将电池模组拆解出来，而不破坏模组的结构和连接，从而实现真正的无损拆解。不同的车型有不同的p

15、ack设计，其内外部结构设计，模组连接方式，工艺技术各不相同，意味着不可能用一套拆解工艺和规范适合所有pack和模组。在pack拆解方面，就需要进行柔性化的配置，将拆解流水线进行分段细化，针对不同pack，要尽可能复用现有流水线的工段和工序，以提高作业效率，降低重复投资。电池拆解后的分类，标签，存放，信息录入和追溯等相关工作对于产业化非常重要，需要探索合理和高效的方式。在拆解作业时，存在大量的人工作业，如果操作不当，可能会发生短路、漏液等各种安全问题，进而可能造成起火或爆炸，导致人员伤亡和财产损失。 所以，如何保证作业安全，降低事故隐患，也是大规模pack拆解所必须解决的问题。2. 电池模组余

16、能预测如果动力电池在使用期间，其相关运行数据有完整记录，结合电池的出厂数据，可以建立电池模组的简单寿命模型，能够大致估算出，在特定运行条件下电池模组的剩余寿命。这种方式，可以节约检测时间和费用。如果动力电池的使用情况无数据记录，或者无法拿到使用数据，仅有出厂时的原始数据（如标称容量、电压、额定循环寿命等），需要对每个模组进行测试、均衡、计算，根据相关数据和出厂时的原始数据，建立一个对应关系，大致估算其剩余寿命。针对这种情况，每一个模组的测试时间，测试费用，都会影响梯级利用的成本。测试设备、测试场地、测试费用、测试时间、分析建模等，都会增加不少的成本，导致梯次利用的经济价值降低。如何快速、准确的

17、估算电池模组的剩余寿命，是动力电池梯级利用的关键所在。3. 系统集成技术l 模组分组技术需要根据运行数据和测试数据对不同的电池模组建立数据库，根据材料体系、容量、内阻、剩余循环寿命等参数对模组重新分组。模组分组参数的合理性，直接影响到后面重新组合的系统性能，具体如何确定相关参数，需要做大量的研究工作，兼顾成本和性能。l 系统成组技术基于电池模组的分组等级和类型，以及产品开发具体目标，建立一个系统级模型，推算出相关的匹配系数，确定产品的总体方案。l 结构柔性化设计技术系统结构设计应该兼容不同的模组，固定方式既要考虑紧固性和可靠性，又要考虑弹性和便于快速装卸；模组的线束连接多柔性化考虑，做到可快插

18、和快换。l BMS的鲁棒性BMS需做到模块化、标准化和智能化，能够自适应各种类型的模组，并能够自我学习，在运行过程中为模组和电芯建立模型，做到智能化的监控、预测、诊断、报警和各类在线服务。软件的升级可在线进行，并可远程升级。4. 安全性和可靠性由于大多数电芯都已进入生命周期的中后期，其老化（劣化）速度不一，并且情况较刚出厂的电池要恶劣的多，突出表现为容量和内阻的差异越来越大，导致系统在可用容量和充放电功率方面越来越弱，可靠性问题严重。这种老化速度的离散性变化趋势，严重时会使得产品的性能和寿命远低于预期，增加产品的使用风险和售后风险。拆解后的电池模组，仅通过目视检查，是无法发现一些安全缺陷的，如

19、轻微胀气、漏液、内短路、外壳破损、绝缘失效、极柱腐蚀等。采取简单、快速而有效的检查措施为拆解后的电池模组进行安全“体检”，这是非常重要的测试工序。另外，在新产品运行过程中，BMS仍然承担着电池“家庭医生”的角色，必须时刻对安全状态进行监控，排查隐患，及时采取措施。所以，针对梯级利用的产品，BMS的安全性和可靠性检测功能要予以强化，通过电子手段有效监控和保障产品的安全性和可靠性。5. 成本控制如何做到良好的成本控制，将系统成本做到新电池产品的三分之一，甚至更低，将直接决定梯次利用产业化前景。如何以较低的成本拿到电池pack，如何针对不同pack复用流水线和工艺，如何简化测试，如何快速建模等，都会影响后续的产品成本。在产品开发环节，系统集成是关键，电池模组混用、系统柔性化设计、BMS鲁棒性设计等，都能有效降低产品物料成本。在产品的运维环节，如何确定合理的质保年限，做到智能化的管理，远程诊