楊凱:梯次利用動力電池在電力儲能的應(yīng)用研究
5月19日至21日,“第八屆中國國際儲能大會”在深圳隆重召開, 來自中國、美國、德國、英國、加拿大、西班牙、日本、韓國、澳大利亞等國和地區(qū)1500余位政府機(jī)構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項(xiàng)目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會。
中國電力科學(xué)研究院有限公司儲能電池本體技術(shù)研究室主任楊凱在儲能電站專場,發(fā)表了題為“梯次利用動力電池在電力儲能的應(yīng)用研究”的精彩演講。
演講內(nèi)容如下:
楊凱:
大家好,我是來自中國電力科學(xué)研究院有限公司的楊凱,今天跟大家交流一下我們在梯次利用電池方面做的一些工作。因?yàn)樘荽卫秒姵噩F(xiàn)在是一個比較熱門的話題,中國電科院從2012年開始一直到現(xiàn)在,大概做了五六年的工作,今天主要是就這個專題跟大家交流一下。首先了解梯次利用的技術(shù)背景,這個背景大家從各個領(lǐng)域了解的比較多了,因?yàn)槲覀儑业碾妱悠嚞F(xiàn)在進(jìn)入了快速發(fā)展時期,2017年銷售了77.7萬輛,2018年預(yù)計(jì)將超過100萬輛,伴隨而來的是電動汽車電池退役量逐漸增大,到2020年退役量將達(dá)到20GWh,到2025年預(yù)計(jì)將達(dá)到90GWh。如此大量的退役的動力電池,梯次利用是非常有必要的。
所謂梯次利用就是將退役的動力電池經(jīng)過重新的適配,在一些相對來說利用率比較低的場合再次利用,目前梯次利用有三個應(yīng)用場合,第一是梯次電動車,第二是電網(wǎng)儲能,第三是通訊基站的應(yīng)用。
對于梯次利用的意義,我們總結(jié)主要有三個方面,一是它能延長整個電池的使用壽命,提高全壽命周期使用的價值,如果在梯次利用這個階段中電池仍然能夠獲利,它也可以變相降低在電動汽車這個領(lǐng)域應(yīng)用的時候采購電池的成本。第二方面就是在儲能方面,如果梯次利用能夠應(yīng)用于電網(wǎng)儲能,與新電池相比,它就會降低儲能工程的造價,也就降低在儲能這個環(huán)節(jié)中用戶用電的成本。第三方面是體現(xiàn)了對資源的充分利用,具有比較好的環(huán)境效益。
目前在梯次利用這個行業(yè)當(dāng)中,國內(nèi)和國際上做了不少的示范工程,在國內(nèi)主要有比亞迪、北汽新能源、鐵塔集團(tuán),還有國家電網(wǎng)公司、南網(wǎng)等等都做了一些示范工程,國外主體是車廠為主的,比如說通用、尼桑、寶馬等等。目前在梯次利用方面主要開展的技術(shù),主要的技術(shù)環(huán)節(jié)包括電池狀態(tài)的評估,電池從電動車上退下來以后,它的健康狀態(tài)是什么樣的,還有多少的可以應(yīng)用的價值,再一個是分選重組,還有一個是梯次利用的電池安全性是有所降低的,在安全管理方面還要做一些工作。分析國內(nèi)和國際在技術(shù)發(fā)展趨勢上來講,基本上可以判斷有兩個發(fā)展趨勢,第一是梯次利用電池從最初期的將電池拆解為單體的應(yīng)用,發(fā)展到目前主流的技術(shù)趨勢是整模組的應(yīng)用。第二個趨勢是示范工程的規(guī)模從最開始的千瓦級到現(xiàn)在的兆瓦級。
目前我們認(rèn)為在電力儲能的應(yīng)用是大規(guī)模消納退役電池應(yīng)用的一個有效的手段,目前新能源發(fā)電大概可以消納120GWh的退役電池,梯次利用電池給電力低成本化帶來了機(jī)遇。目前對于梯次利用電池在電力儲能方面還有一個比較顯著的優(yōu)勢,就是因?yàn)殡娏δ艿膱鼍胺浅XS富,可以為不同性能曾經(jīng)的退役電池提供一些應(yīng)用的場景。這里列了5個主要的場景,我就不再細(xì)說了。
第二方面介紹一下我們在這幾年當(dāng)中,在梯次利用電池方面做的部分工作。
我們依托2016年獲批的新能源儲能并網(wǎng)運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,我們在梯次利用方面做了狀態(tài)評估、壽命預(yù)測、系統(tǒng)集成、經(jīng)濟(jì)性評價等等的研究工作,我們在張北儲能實(shí)驗(yàn)基地當(dāng)中也做了幾個示范的工程,今天我介紹部分的工作。
我們主要是針對三類電池做了研究,一種電池是2008年奧運(yùn)會電動汽車上退役下來的電池,這是錳酸鋰的電池,是2012年退役的。第二類是是深圳K9電動車上用的電池,這是2015年退役的電池,第三是青島薛家島電動車上退下來的電池,這是2016年退役的。
退役的錳酸鋰電池,就是2012年退役的這類電池,我們經(jīng)過測試這些電池的主體容量是55安時左右,理論上電動車上用到80%就會退役,但是這個電池到我們這里只有50%到60%的容量。從內(nèi)阻上也可以看到它的分散比較大,初始內(nèi)阻,新電池是0.5到0.6,退役下來分散的比較大,最大的都到1.5豪歐,所以我們把它分成了大概6個檔位。從容量的保持率來講,應(yīng)該講大概一半以上的電池容量保持率還是比較不錯的,大概能占到95%以上。
我們測了這個電池的倍率和溫升特性,從發(fā)熱量來看,在50安培電流下,溫升大概在5度左右。我們根據(jù)這個電池測算了它的實(shí)際使用壽命,我們選了其中一個場景,是UPS工況下,我們做了適應(yīng)性的評測,我們算了容量保持率和擱置的公式,在UPS工況下,這個電池預(yù)期的使用壽命大概是3年。而作為移峰填谷應(yīng)用的測評,如果這個電池在移峰填谷的情況下,它的使用壽命大概1500次。作為平滑的工況來講,我們選了四個電池,一個是容量大概相同,內(nèi)阻不同的,二是內(nèi)阻差不多的,容量有所變化的,在平滑工況下做了預(yù)測,可以看到這個電池在平滑工況下的表現(xiàn)性能不太好,從這個圖上可以看到容量的保持率比較差。
我們對這個電池參照2006年的標(biāo)準(zhǔn)做了7項(xiàng)安全性的測試,這個電池在7項(xiàng)安全性測試下都是能夠通過的,能夠做到不起火、不爆炸。因?yàn)檫@款電池我們做了一個儲能的系統(tǒng),裝在大興電動出租車充換電站,這一款產(chǎn)品在參與運(yùn)營以后,循環(huán)了不到100次,電池性能急劇降低,就是電池的一致性分散過大,快速分散,這個電池我們在組裝的時候,是把它拆成了單體,經(jīng)過了非常細(xì)的分選、重組,又組成了新的模塊和系統(tǒng),即便是這樣,它的性能也急劇下降。因此我們可以基本判斷,大概在2012年以前生產(chǎn)的咸吃,因?yàn)楸旧砩a(chǎn)能力所限,所以當(dāng)年生產(chǎn)的電池梯次利用的價值是不大的。
下面再看第二款電池,200安時的磷酸鐵鋰電池,這是K9公交車上退役的電池。初始的時候是200安時,到我們手上大概是150到160,可以看到這個電池的分散性很小,一致性還比較好,容量基本上是在145到160之間,內(nèi)阻增大幅度也不大,容量保持率也是很好的,80%的電池容量保持率還能在97%到98%。
可以看到這個電池在充放電過程中的性能還是不錯的。從望升特性來講,在0.5C、1C和2C我們測了一下,在0.5C狀態(tài)下大概溫升2度,1C升溫超過5度,2C溫升超過10度,因此我們建議考慮到它的安全使用性,溫升應(yīng)該控制在5度以內(nèi)。
在安全性測試當(dāng)中,電池也出現(xiàn)了鼓脹的現(xiàn)象,但是通過這些安全性測試,都沒有問題。
我們重點(diǎn)關(guān)注電池的壽命分析,這個電池我們做過百分之百的DOD,全充全放的,80%DOD和20%DOD,可以看到這個電池在百分之百DOD的情況下,測了4000次的循環(huán),容量仍然有93%,80%DOD測試5000次,容量還有91%。
針對這款電池我們建設(shè)了一套250千瓦/1兆瓦時的儲能系統(tǒng),這套系統(tǒng)安裝在國家電網(wǎng)張北儲能實(shí)驗(yàn)基地的儲能實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中。這個主要是用于平滑風(fēng)電,做一些調(diào)頻,這個系統(tǒng)從2016年3月份安裝到現(xiàn)在將近一年半的時間,系統(tǒng)運(yùn)行還是比較穩(wěn)定的。
第三款電池是磷酸鐵鋰電池,是青島退下來的電池,這個電池初始容量是22安時,退役下來以后,60%的電池容量在19安時以上,分散度也不算高,有將近70%的電池列組是在3到4之間。同樣我們也測了它的倍率和溫升情況,可以看到基本上這個電池在0.5C下面溫升在1度左右,1C溫升也不超過3度,在這樣的情況下,0.5C、1C使用都沒問題。
再一個是高低溫的充放電特性。可以看到這個電池的充電在0度狀況下也能充到必90%。同樣氣象的安全性測試也沒有問題。
壽命特性,這個電池百分之百DOD循環(huán)1400次以后,容量保持率大概在93%,80%的DOD循環(huán)2000次,容量保持率大概在90%左右,28天的自放電的擱置性能也是不錯的,大概在98%。
這款電池現(xiàn)在由許繼集團(tuán)負(fù)責(zé)工程建設(shè),電科院提供技術(shù)支持,做一套3MW/9MWh的系統(tǒng),目前計(jì)劃安裝在國家風(fēng)廣儲輸示范工程二期,主要做風(fēng)電平滑、光伏消納、跟蹤計(jì)劃,這個系統(tǒng)目前正在安裝調(diào)試當(dāng)中。
最后根據(jù)我們這幾年做的工作做一些總結(jié)。首先我們認(rèn)為并不是所有的動力電池都適合做梯次利用,像我們前面介紹到的第一個示范工程,可以看到基本上在年份比較早(2012年以前)的電池,因?yàn)楫?dāng)時的電池本身的技術(shù)水平和制備水平不高,經(jīng)過電動汽車應(yīng)用階段以后,梯次利用價值比較低,而且安全隱患比較大。第二是梯次利用國家當(dāng)中,一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破,像快速的性能評估技術(shù),包括健康狀態(tài)的評估和殘值的評估。第二是低成本的分選重組,在梯次利用這個階段當(dāng)中,低成本我們認(rèn)為是最關(guān)鍵的一項(xiàng)指標(biāo),因?yàn)楸旧砭褪且獙?shí)現(xiàn)它的低成本,如果在各個環(huán)節(jié)中的成本降不下來的話,很難跟棄電競爭。再一個是由于它的安全隱患有可能比新電池增加,所以在梯次利用當(dāng)中,安全的預(yù)警,包括后期的安全的防護(hù)比新電池更要考慮得周全一些。第三是對不同狀態(tài)的退役動力電池,應(yīng)該選擇合適的應(yīng)用場景,在電力儲能這個領(lǐng)域當(dāng)中,可以根據(jù)不同性能的梯次利用電池給它一定的場景,保證電池安全使用的情況下,盡可能發(fā)揮各個階段梯次利用的剩余價值。
對于這個技術(shù)的展望來講,首先對于退役電池來講,它的性能肯定是越來越好,從剛才我們做的示范工程可以看到,像我們介紹的后面兩個示范工程還是很不錯的,性能會越來越好,同時價格會不斷地降低。第二方面,動力電池整個這套歷史數(shù)據(jù)、通訊協(xié)議、梯次利用電池再退役的環(huán)節(jié)現(xiàn)在考慮的越來越完善,現(xiàn)在很多企業(yè)已經(jīng)有意識,在做動力電池應(yīng)用之時就考慮好將來退役后的梯次利用階段,所以相對來講可以降低梯次利用整個環(huán)節(jié)的成本,提高它的經(jīng)濟(jì)性。國家這兩年對梯次利用的扶持力度也很大,從2016年到2018年,國家各個部委相繼出臺了將近15項(xiàng)政策,提到了梯次利用,可以說國家層面對這個事還是很重視的,另外國家的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃也部署了相關(guān)的內(nèi)容。也就是說現(xiàn)在從技術(shù)層面和在政策層面上的支持,我們認(rèn)為梯次利用技術(shù)在電力儲能方面還是很有發(fā)展前景的。
(本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理,未經(jīng)本人審核)
責(zé)任編輯:繼電保護(hù)
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