中电科范茂松：梯次利用是电力储能方面消纳退役电池的有效手段

为助力中国储能企业与国际接轨，同时致力于推动中国储能产业机制的建立，实现储能技术商业化，中关村储能产业技术联盟举办的“储能国际峰会暨展览会2018(ESIE2018)”于2018年4月2-4日在北京国家会议中心举行。中国电力科学研究院高级工程师范茂松发表题为《梯次利用电池在电力储能的应用研究》的演讲，文字实录如下：

首先感谢组委会给我这么一个机会，今天看到梯次利用受这么多人关注很欣慰。从2011年开始做梯次利用这方面的研究，找相关的资料很难找，做退役的电池也很难找，那时候电动汽车还没有进入快速发展期。

接下来跟大家分享一下中国电科院这几年在梯次利用和电力储能上的应用。

这几年电动汽车快速发展，在这个背景下，造成未来几年退役电池的数量快速增加。梯次利用这个概念大家比较清楚，就是把动力电池从电动汽车上换一个场景，作为低速车、电力储能或者基站的备用。梯次利用的意义大家也比较清楚，降低电池在车用阶段的成本。现在由于新电池成本比较高，而且一直限制储能大规模推广应用，而梯次利用能降低储能的工程造价，同时梯次利用比较环保，有良好的经济社会价值。

因此，这几年国内外很多研究机构都开展了梯次利用的研究。在国内分了大概有三类，第一类，就是电动汽车厂，像比亚迪、北汽新能源比较关注这个。比亚迪在它的工厂建了15兆瓦-30兆瓦的电站梯次利用电站，给它的工厂用的。第二类，像铁塔集团、电网公司等，属于储能的用户，铁塔拿来做备用，南方电网在系统里面做储能。最后一类属于第三方做储能的一些机构，比如上海煦达，在江苏溧阳建了梯次电站，主要做削峰填谷。

国外做梯次利用主要是车厂在做，像通用在大概2011年的时候，和ABB合作，当时做了几度电的家庭储能。这两年做得比较大的一个是宝马，一个是奔驰，宝马在2016年有一个2兆瓦，用在光储充电站的储能系统。奔驰去年开始建，有一千辆奔驰smart，建了一千兆瓦时的储能电站。这个我算了一下，电池的利用率非常高的，一辆奔驰smart6度电，是18兆瓦时，它的退役利用率超过90%。还有国外VR实验室，涵盖运输各个环节的标准，叫1974标准。从这些研究来看，早期的电池比较差。这几年随着电池性能逐步提升，拆解经济性比较差，一般采用模组直接利用的方法，现在大多数的储能系统都是兆瓦级别的。

梯次利用对于电力储能是消纳退役电池的有效手段，为什么这么说呢?因为电力储能有特别多的需要储能的场景，我们有时候说这个储能有五大类17项，我列了一些典型的储能应用场景。现在国家风电和光伏装机容量，按14%去配的话，能消耗120GWh的退役电池。

下面我介绍一下这几年我们中国电科院，针对一些典型的退役电池样本开展的工作，我在这儿讲三种样品。第一个，当时2008年奥运会的时候，奥运主厂区的50辆纯电动车，是为运动员和记者服务的。这个电池是2020年退役。第二个，是深圳K9电动公交车用的电池，是2015年以后退役。第三个，国家电网公司建的第一个大型的充放电站，在青岛薛家岛，也是电动公交车，是2016年退役。

第一个奥运这个，当时它用的是锰酸锂电池，当时拿的时候有几个模块没有给我们，一车325块电池，把所有一套系统拆解，做了基本性能的表征。我们发现这个电池剩余容量基本上在50%-60%，内阻增加了一倍，自放电率比新电池降低了很多。测试了这个电池倍率和温升特性，发现倍率的性能已经很差了，EC的温升大概有5度。我们针对比较典型三种工况做了寿命实验，对大概能用多久做一个预测，第一种，做容量备用，类似UPS这种，我们给它做了一个预测，发现这个电池在衰减到80%的时候，大概就是三年的时间，跟铅酸相比没有什么优势的。第二个，做削峰填谷，电流比较小，但是充放电深度是80%-100%，对这个寿命做了预测，大概逆核1500次左右，这是实验室理想的条件下做的。然后做了一个20%，大概DOD充放电类似于电网调频的这么一个工况，随着电阻越大的话，电池衰减越快。

根据电动汽车的标准，筹建各种安全实验，因为储能电池的标准现在已经报批了，还没有出来，所以以前我们做这个安全实验都是用电动汽车的标准来做的，就是这个电池还是可以通过各种电动汽车的安全实验。

我们最后做了示范工程，在2013年，是26千瓦一千千瓦时，放在北京大兴出租车充放电站，主要就是调峰，中午负荷比较大的时候用它顶一下。这个电池做了一百多次循环以后，性能就很差了，后来基本上没有再用，可能还是因为这个本身电池的性能，新电池也不太好。第二个，我们做了磷酸铁锂电池，就是K9这个，拆了39块左右，这个本身倍率不大，它的倍率特性还是非常好的。虽然说这个电池倍率性能很好，但是因为这个电池容量比较大，我们单个电池不在模组里，一C是5度，两C是超过10度，超过散热的问题，工作电池不超过0.5C。做了不同温度的充放电，在零度以上，电池充放电性能还是非常好的。但是在零度以下，充电磷酸铁锂就很差了。

我们做了10种实验，按照31485不一一讲了，并且与新电池做了一个对比，表面温度比新电池要低。它的寿命，类似于模拟的三种电网的工况，这个电池它的寿命明显要好很多，四千次含有93%的容量保持率，调频1.5万次差不多93%。搁置是做了6个周期，我们根据这个推算的话，做备用电源的话用10-12年。

最后我们用这个电池在张北并网实验室做了一个一兆瓦的储能系统，那边是风电联合的，主要用这个风电平滑。这个拓扑结构其实很简单的，就是一个模块是八串，30个模块串成电池组，十串并联构成一个系统。这个系统不像第一个系统，没有办法去做实验。但是从这一年多的实践看，它运行的效果还是很不错的。

第三个，刚才说的青岛薛家岛的问题，软包的22毫安的磷酸铁锂28支，容量还不错。这个1C的温升在3度左右。我们做得环境适应性，都是磷酸铁锂体系，基本上零度以下就很差了。前一段时间，按31485做得案例，也是现在退役电池基本上电动汽车这个标准可以用的，也是模拟电网工况做得寿命特性。我们拿1400，1000%DOD就差很多，大概可以做到4次。做备用电源做了12个周期，大概推算八年左右。这个电池用电池模组，现在在张北风光储输二期建3兆瓦和9兆瓦的储能系统，这个安装调试完，跟光伏一块使用。

最后讲一下这些年讲做这些东西的体会：

第一个，不是所有的退役电池都可以梯次利用的。为什么?尤其在2012年以前，中国的动力电池当时的制造水平还不像自动化水平这么高。当时的电池还是比较差的，无论从寿命还是安全性来看，用作梯次利用，一个是本身有安全的风险，还有寿命比较差，所以没有经济的价值。

第二个，现在梯次还有很多关键技术去解决，电池来了，怎么快速评估有没有安全隐患，剩余寿命有多少。来了以后，怎么让它低成本的去重组，尽量的用它的管理系统，用它原来的结构件不再去拆解这种东西。

第三个，是它的安全状态怎么判断。因为刚才我做了这三个样品，用的都是电动汽车的破坏性的实验去验证它的安全性，其实这个是不能准确的把电池在梯次利用阶段用演变状态来判断的。这个电池到底用到50%还是40%，在梯次利用过程中，它什么时候发生安全隐患，什么时候容量跳水，这些东西现在不能很好的回答。这个需要通过研究才能决定的。

因为退役的电池，它的状态千差万别，所以我们应该根据电池的性能去选择合适的场景，这样才能最大限度发挥这个退役电池的价值。比如说这个电池，退役的内阻比较大，发热比较厉害的话，不适合去做调配，不适合做高倍率的充放电。

最后说一下期望，随着动力电池技术的持续进步，未来退役电池的性能会越来越好，三元现在做梯次利用不行的，这个技术很难保证。国家工信部推暂行管理办法，要建立溯源体系，要开放历史数据，可以提升梯次的经济性。现在国家出台不同政策扶持这个事情，2018年国家重点研发计划里面就列了梯次利用的国家项目，现在已经申报完毕了，当然还没有出结果。还有就是工信部一直在出台促进梯次利用和行业规范的发展。随着电池技术不断进步，还有国家政策的不断地完善，将促进梯次利用和商业技术的成熟。