退役动力电池储能系统梯次应用研究

退役动力电池储能系统梯次应用研究

摘要：随着电动汽车的广泛应用，大量退役动力电池不仅严重地污染环境，也

造成能源与资源的严重浪费。本文分析了退役动力电池储能系统梯次应用研究。

随着新能源汽车快速发展，尤其是动力电池的广泛应用，虽然极大地减少了汽车

尾气的排放，但导致退役的动力电池数量急剧上升，若得不到妥善的处理，会导

致严重的环境污染问题。

关键词：退役动力电池；储能系统；梯次利用

一、梯次利用动力电池储能的特点与挑战

1.梯次利用动力电池储能的特点与优势。传统的电池储能系统解决方案一般

采用电化学蓄电池作为储能介质，常用的应用于大规模电力储能的储能电池包括

钠硫电池、液流电池和锂离子电池等。其中，锂离子电池作为储能媒介，具有能

量密度高、效率高等特点，非常适用于功率较高、能量用量中等的储能系统，目

前已用于负荷平滑、削峰填谷与能源反馈等。然而高昂的锂电池成本成为动力电

池用于储能系统的主要障碍，因而，人们开始考虑利用车载动力电池作为电力储

能的介质：一是采取V2G（vehicle-to-grid）等模式，通过电动汽车接入电网，使

得电动汽车内的车载动力电池作为储能功能，实现储能的目的；二是对退运的车

载动力电池进行梯次利用，重组成安全、高效的电池系统作为储能系统。实际上，无论是新电池用于储能，还是其他形式的动力电池储能，都可以看作是对车用动

力电池在其生命周期的充分利用目前，V2G模式已有成功的商业运营案例，还形

成了V2H、V2B等模式，使得电动汽车车载电池储能的实际应用更为广泛。

2.梯次利用动力电池储能的价值。（1）发电侧。储能系统能够配合分布式能

源实现高效稳定运行，能够提高新能源发电站和分布式电站的发电效率、可靠性

和经济性。光伏和太阳能发电等新型清洁可再生能源技术日益成熟、应用日益广泛，但其离网运行具有不稳定性和不连续性的特点，而并网运行又会给电网运行

的安全和调度带来很大的负面影响，因此，新能源发电需要通过储能系统来弥补

其随机性和波动性，实现平滑输出，从而使大规模风电及太阳能发电更安全、更

可靠地并入常规电网或离网运行，提高新能源电站的利用效率、减少备用电厂的

建设，为国家节约输配电设备的巨额投资。（2）电网侧。储能系统作为智能电

网技术的关键一环，储存并稳定可再生能源发电系统，提高电网设备的利用效率，降低其对电网造成的负面影响。可再生能源的大规模应用也使智能电网面临着挑战，这些分布式电源接入电网后，将给配电网乃至输电网的电压、电能质量、系

统保护和调度运行等带来一系列的影响。通过利用储能系统，智能电网可以集成

可再生能源，使其安全接入电力系统，并采取计算机远程控制、信息自动化管理

等手段，使得分散的储能系统可以为能源消费者提供能源，从而响应能源供需不

平衡导致的波动性问题，实现智能电网的智能性。（3）用户侧。储能系统可以

平衡峰期谷期用电，降低峰谷差压力，降低发电企业和电网企业的运行成本，减

少用户的用电费用。储能系统还可以通过削峰填谷来满足电量供需之间的动态变化，并为能源供应商与消费者节约相应的成本。对于电网企业和终端的用电用户，储能系统可以通过夜间储电、日间放电，从峰谷电价差中优化资源配置，获得大

量经济效益。此外，实现分布式储能后，电网发生故障和检修的部分情况下，用

户可以通过储能系统保证供电，用户用电的安全可靠性大大提高，停电概率和停

电损失也将大幅减少。（4）储能系统有助于应对未来战略性新兴产业大规模用

电需求对电网所造成的冲击。战略性新兴产业的大力发展将会催生大规模的用电

需求。以电动汽车产业为例，当其规模化市场应用时，随之而来的是大规模的充电需求。然而，电动汽车充电具有随机性、波动性问题，大规模接入电网可能会对电网造成冲击，造成电网电量供需的不稳定。储能系统可以有效调节电动汽车充电引起的电网电压、频率及相位的变化，为电动汽车的大规模推广提供基础；另一方面，随着交直流微网的发展，储能系统还可以配合分布式能源实现微网的高效稳定运行，即利用电动汽车充换电站，形成虚拟电厂参与可再生能源发电调控。

二、退役动力电池梯次利用流程与成本

电动汽车对电池的能量密度、功率密度、寿命、安全性、可靠性等技术特性要求较高，当动力电池的能量密度下降导致汽车续航里程不满足客户需求，或者由于功率密度下降到汽车加速性能不满足要求时，动力电池将被替换下来。退役动力电池可以用于对电池技术性能要求较低的其他场合。退役动力电池的梯次利用通常包括以下步骤：（1）废旧动力电池回收；（2）动力电池组拆解，获得电池模组或单体；（3）根据电池模组或单体的外特性，筛选出可使用的电池模组或单体；（4）电池模组或单体进行配对重组成电池系统；（5）电池系统集成与运行维护等。如图1所示。

退役动力电池的二次利用成本主要包括：购置成本、运输成本、人工成本、电池筛选、成组成本、电池管理系统（BMS）成本、电力电子成本和运营维护成本等。

1.购置成本。退役动力电池的购置成本与退役动力电池供应量、退役动力电池回收再利用成本、新电池购置成本等多个因素有关。根据经济学原理，其购置成本取决于供需曲线。当电池的需求量高于退役动力电池和新电池的供应量，即需求大于供给时，电池购置成本升高；反之，当电池的需求量小于退役动力电池和新电池的供应量，即需求小于供给时，电池购置成本将降低。退役动力电池的平衡价格由市场中供给曲线和需求曲线的交点决定，仅当该价格低于新电池价格时，市场上才会产生对退役动力电池的需求，因此新电池的现行价格是退役动力电池的价格上限。由于动力电池还处于产业化的初期阶段，报废数量有限，而动力电池的循环再利用工艺又存在较大的技术瓶颈，在竞争力分析中假定退役动力电池购置成本为0。

2.运输成本。退役动力电池回收、运送至电池梯次利用检测、重组中心的运输费用。

3.人工成本。退役动力电池梯次利用的人工成本主要来源于退役动力电池拆解、配组、装配等环节产生的人工成本。

4.电池筛选、成组成本。退役动力电池测试、筛选、成组过程中进行内阻测试、电压测试、充放电测试所需设备的折旧费，以及充放电循环产生的电费等。

5.BMS成本。BMS主要用于实现提高电池的利用率，防止电池出现过度充放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态等功能。

6.电力电子成本。连接电网与电池组的交直流变换模块，包括电力电子变流器成本、系统布线成本，变流器控制系统成本等。

7.运营维护成本。运营和维护成本包括梯次利用电池储能系统运行过程中定期和不定期的维护，修理、更换故障或损坏的电池组，以及电力电子变流器的维护等。

评估退役动力电池的残余价值，实现其梯次利用，需要对电池的安全性、容量、内阻、自放电、二次循环寿命等多项技术指标进行全面测试。由于电动汽车