赵光金-梯次利用再认识-new0417.pdf

基于研究及应用基础的动力电池梯次利用再认识 赵光金 博士 /教高 国网河南省电力公司电力科学研究院 国家电网公司电网废弃物资源处理技术实验室 gjzhao@iccas.ac.cn 0371-67908285/15136216630 二零一九年四月 杭州 1 再认识 梯次利用 2 已有研究及应用基础 1 总结与展望 4 产业化的几点思考 3 2 一、已有研究及应用基础 1、建立了退役电池本体特性评价方法 外观特性 (2012年左右退运电池） 衰减特性及离散性 — 剩余容量可观，一致性有所下降 3 （一）分析测试 公交大巴，换电模式运行 5年后的退役电池 出租车 ， 投运 4年后的退役电池 2015年退运电池 2016年退运电池 1、建立了退役电池本体特性评价方法 容量离散性 （一）分析测试 一、已有研究及应用基础 4 公交大巴换电模式，投运 5年后退役； 56个模块，单个模块 2串 12并（ 6.4V， 264Ah），单体 22Ah； 软包磷酸铁锂； 70%剩余容量占 89%； 80%剩余容量占 44%。 退役电池模组性能测试分析 1、建立了退役电池本体特性评价方法 （一）分析测试 一、已有研究及应用基础 5 1、建立了退役电池本体特性评价方法 容量循环衰减性能 随机抽取 5个模块 ， 拆成单体电池 ， 共计 120支单体电池 ， 从中随机抽取 12支 （ #1~#12） ， 共计循环 2000次左右 。 退役电池容量衰减率与循环次数呈线性关系 。 其中 #2电池的衰减率最大为 7.38%， 其次 #3电池 （ 6.33%） （一）分析测试 一、已有研究及应用基础 6 容量循环衰减性能 衰减拐点 衰减突变 1、建立了退役电池本体特性评价方法 （一）分析测试 一、已有研究及应用基础 7 退役电池衰减加速特征 退役软包磷酸铁锂单体电池在 1C充放电 条件下循环 700次 ， 剩余容量为 80%左右 ， 循环 700次以后电池容量下降非常明显 ， 到 780次时剩余容量仅剩 2Ah左右 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 容量 /A h 循环次数 1、建立了退役电池本体特性评价方法 （一）分析测试 容量循环衰减突变性能 在循环至 1242次之前 ， 其衰减率平均为 4.4%， 且在 1242次之前 ， 容量衰减率与循环 次数间保持较好的线性关系 。 循环至 1243次及以后 ， 容量衰减率突然增大近 100%。 12支单体电池循环 2000次左右后 ， 仅 #1电池出现了上述衰减突变现象 ， 发生概率为 8.3%。 一、已有研究及应用基础 8 -2 0 0 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 1 .8 2 .0 2 .2 2 .4 2 .6 2 .8 3 .0 3 .2 3 .4 3 .6 V o lt a g e /V C a pa c i t y / A h 0 ℃ 1 0 ℃ 2 0 ℃ 3 0 ℃ 40 ℃ 5 0 ℃ 6 0 ℃ -5 ℃ -1 0 ℃ -1 5 ℃ 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 容量 /A h 循环次数 -2 0 0 20 40 60 80 12 14 16 18 20 22 C ap ac it y/ A h T e m p e r a tu r e /℃ 充放电特性 — 梯次利用适合于不超过 1C的充放电倍率下工作 9 1、建立了退役电池本体特性评价方法 （一）分析测试 第三方安全性测试 —— 满足梯次利用要求 一、已有研究及应用基础 9 1、 开发出退役电池梯次利用分选评估技术 开发了利用工业 CT、核磁成像等无损检测方法，并结合外特性分析测试手段的梯次利用分选评估方法，在不 破坏电池的情况下更精确的判断电池内部的微短路，及微结构变化，提高了分选出电池的安全性和可靠性。 （二）技术开发 一、已有研究及应用基础 10 内阻 容量 隔膜孔隙率 隔膜穿刺 强度下降率 1-5mΩ 30%-40% 不大于 18% 1C： 500-700次循环后下降 40-80% 0.3C/0.5C:500-700 次循环 后下降 5-15%； 1000-2000 次循环后下降 50-80% 50%-70% 30%-50% 10%-30% 10%-20% 串联 ， 电压不超过 60V。 先并后串 ， 并联数不 超过 5支 ， 且电压不 超过 60V。 串联 ， 电压超过 60V。 先并后串 ， 并联数 5- 10支 ， 且电压超过 60V。 可用性判据 可用性判据指标体系 赋值权重 可用性评价标准 执行较低标准要求 执行较高标准要求 1、 开发出退役电池梯次利用分选评估技术 （二）技术开发 一、已有研究及应用基础 11 2、 开发了退役电池梯次利用重组管理技术  电池组放电时，启动主动均衡，此时被 动均衡关闭。电池组放电至欠压，主动均 衡结束。  电池组充电时，先使用主动均衡对电芯 进行能量搬移，在电芯电压接近过压点时 ，关闭主动均衡，启用被动均衡。 退役电池智能分时混合均衡技术：通过硬件电路修改和矩阵搬移的软件算法，将主动 均衡与被动均衡结合起来，实现了在不同的情况下使用不同均衡方式。 （二）技术开发 一、已有研究及应用基础 12 2、 开发了退役电池梯次利用重组管理技术 （二）技术开发 一、已有研究及应用基础 13 生产日期 2012年 批次 不详 应用场合 出租车 运行年限 约 4年 运行公里 约 60万 类型 钢壳磷酸铁锂 筛选标称 0.3充放电， 2个循环 挑选时间 15天 总数量 约 200 模组容量 ≥150AH 模组串数 8串 1并 容量 数量 150-155 60 155-160 26 160-165 19 165-170 14 170-175 8 175-180 3 180-185 2 合计 132  开发 250kW*2h的退役电池储能系统 ， 应用于某新能源试验示范基地  储能系统具备削峰填谷 、 并离网切换功能 电池重组集成案例分析 （三）系统集成 一、已有研究及应用基础 14 电池重组集成案例分析 （三）系统集成 一、已有研究及应用基础 15 电池重组集成案例分析 （三）系统集成 一、已有研究及应用基础 16 电池重组集成案例分析 -250kW/500kWh集成方案 储能系统拓扑结构 （三）系统集成 一、已有研究及应用基础 17 （四）工程示范 一、已有研究及应用基础 18 首次将退役电池 梯次利用于变电 站 UPS电源 家庭应急供电系统 ： 3kW/3kWh ， 可 多机并联 ， 提供电 力备份 3kW移动式灌溉车： 灵活轻便 、 工艺简单 、 操作维护方便 首次将退役电池 梯次利用于电动 摩托车 ， 实现试 验示范 （四）工程示范 一、已有研究及应用基础 19 退役电池储能系统故障分析 （五）典型故障 一、已有研究及应用基础 20 再认识 梯次利用 2 已有研究及应用基础 1 总结与展望 4 产业化的几点思考 3 21 梯次利用概念及定义  动力电池 SOH低于 70～ 80%， 不适合继续 作为动力电池使用 ， 应退出运行  这类电池还具有较为理想的剩余容量 ， 理论上可以再利用于储能系统 二、再认识梯次利用 基本概念 22 如何认识梯次利用  梯次利用不是电池全寿命周期的必要环节  没有强制回收 ， 梯次利用无法市场化  不能为了梯次利用而梯次利用 ， 只有电池质量 过硬 、 成本极低 、 应用场景高度匹配 ， 才有开 展梯次利用的必要性 ， 缺一不可  永远不要跟新电池比成本差 ， 理论上 ， 梯次利 用电池应无偿获得 ， 甚至逆向有偿获得 二、再认识梯次利用 基本概念 23 梯次利用是“伪命题”吗？  技术上的研究 、 创新及示范 ， 无可厚非 ， 怎么做都有意义  若电池在设计 、 生产 、 品控 、 使用等环节有缺陷 ， 则梯次 利用不背锅  如果所有的指标都对标新电池 ， 则梯次利用没法做  但安全 、 可靠必须对标新电池 ， 否则梯次利用没必要做 二、再认识梯次利用 基本概念 24 关于分选（筛选）  外观检视是必要的  不管怎么分选 ， 一致性差是客观存 在的 ， 无法规避  沿用新电池的分容定容思路 ， 不可 取 ， 成本太高  现阶段 ， 快速分选技术还没有 二、再认识梯次利用 核心技术 25 关于重组集成  给 100个电池模组寻找一个统一的参量 指标 ， 是不现实的 。 尝试着将其分成五 组 ， 每组保证执行同一标准 ， 但各组件 不必强求一致  利用逆变技术和系统设计新思路 ， 电池 的离散性可以解决的 二、再认识梯次利用 核心技术 26 关于均衡  BMS无法解决退役电池先天的不一致 ， 只 能部分解决充放电过程的不一致性  保证安全和出力的情况下 ， 设定同一充 放电截止条件 ， 也许可行 二、再认识梯次利用 核心技术 27 关于梯次电池衰减及寿命  梯次利用电池的衰减及其规律 ， 不 是梯次利用造成和独有的 ， 因为电 池还是那个电池  单纯实验室研究梯次电池衰减规律 没有意义 ， 具体场景下的衰减特征 才有借鉴性  离开电池质量和梯次利用场景 ， 去 评价其二次利用寿命 ， 没有意义 二、再认识梯次利用 核心技术 28 正确看待梯次利用储能系统  梯次利用储能系统不能跑 “ 马拉松 ” 和 “ 百米冲刺 ”  储能系统不止有大规模储能 ， 还有各种小 规模 /规格储能 ， 当然小规模不是不可以汇 聚成大规模  没有证据证明梯次电池安全性一定有问题  梯次利用储能系统运行过程个别模组劣化 故障 ， 很正常 ， 新电池也存在 ， 无非是几 率和概率的问题 二、再认识梯次利用 产品与市场 29 可以再利用，但毕竟不是新电池 梯次利用现状  目前没有真正意义上的退役电池： 绝大部分不是因容量正常衰减至 80% 而退役 ， 而是各种各样原因产生了 退运电池  没有完整的示范运行数据 ， 无法系 统判断其安全 、 寿命及场景适应性  示范项目居多 ， 真正商业和生产运 行的项目很少 二、再认识梯次利用 产品与市场 30