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李剑铎:退役动力电池储能梯次利用解决方案及实例分析

可再生能源俱乐部2021-06-08 08:26:02

8月25-26日,首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会在江苏无锡太湖饭店召开。会议由江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办。中恒电气上海煦达新能源科技有限公司受邀与近400位产学研高层共同探讨储能发展未来。公司总经理李剑铎在会上就退役动力电池储能梯次利用问题发表演讲。 


演讲全文如下:

李剑铎:大家上午好!我是中恒电气上海煦达新能源科技有限公司总经理李剑铎,今天很高兴来跟大家分享关于我们在用户侧储能系统方案设计方面的经验。

今天我报告的主题是《退役动力电池储能梯次利用解决方案及实例分析》。我先说几句题外话,这一两年随着新能源电动汽车的发展,每年都以几十万辆的速度投向市场,所以电动汽车退役电池梯次利用的问题得到了大家的很多关注,这个话题也引起了很多的争议。关于退役电动汽车电池梯次利用到底能不能实现,业内是有很多争议的,有不同看法。我个人这么看这个问题,首先第一个问题,新能源车这么大批量的投入市场,未来3-5年一定会有大批退役动力电池出现在市场。这种退役锂电池又不像以前的铅酸电池,使用完之后完全没有利用价值,其实本身还有80%左右的生命容量。如果可以通过一些比较好的技术手段把他们利用起来,会是一个很好的产业方向。

第二个问题是我们做储能系统做了这么多年,大家谈论了各种功能和应用模式,里面最核心的问题就是成本。储能的系统成本始终居高不下,虽然最近两年随着新能源车的发展,动力锂电池的价格大幅下滑,使储能系统成本也大幅下降,大概现在一个集装箱储能平均是2块钱一瓦时,以前刚做的时候起码要四块钱一瓦时,完全没有任何经济性。哪怕现在在2块钱一瓦时的情况下,做商业模式化的储能电站运行怎么样也要十年以上的时间,十年这个电池还能不能用?这是一个很大的问题,基本上来说对客户没有吸引力。

既然有了这么大量的退役电池存在市场上,同时储能系统又需要低成本的解决方案,所以我们应该考虑一下如何把这两者结合在一起用。这的确会面临很多技术问题,但也因这种技术问题的存在会使这个事情做起来显得有价值。市场的驱动力我认为是退役电池梯次利用最主要的因素。煦达新能源在近一两年做了一些尝试,也取得了一些成绩,今天我也借这个机会跟大家分享一下。

这是我今天报告的内容,我先给大家简单介绍一下煦达新能源的产品,然后开始讨论一下退役动力电池的市场。这个市场容量有多大大家都很清楚,2015年20万辆,2016年可能会达到40万辆,2020年整个市场存量会到500万辆,这个市场太大了。第三个介绍一下煦达如何利用退役电池用在静态的储能系统中,尤其用在用户侧做削峰填谷,如何解决退役电池一致性的问题。第四个方面是案例介绍和经济性分析,最后是报告总结。

煦达是2011年成立,从2012年开始做储能,可以说是国内最早一批开始做储能的。煦达的母公司是中恒电气股份有限公司,去年正式开始对煦达进行控股。中恒电气本身在国内做电源和各种各样通信电源、电力操作电源,是国内领先厂商。煦达新能源这边公司主要业务分为国内和国外两大块。国外主要做户用储能,今天不是我主要介绍内容。这里稍微说一下今年年初通过和国内某个著名的大能源商品牌合作,我们在欧洲推出了一系列的新的户用储能产品,市反映非常好。3月份开始量产、5月份开在德国当地进行安装,到目前为止我们已经出了1000条,我相信这个数字在国内来说应该是第一位的,在德国本土来说也会进到前五水平。

我们正式进入到退役动力电池市场分析报告当中。刚才说了,电动汽车2015年20万辆这个数字是确认的,2016年年初拿到的报告是35万辆,实际销售是在40万辆左右,预计到2020年当年销售200万辆,总的数字是500万辆,我相信这个数字很容易达到的。随着大家对环境污染问题越来越重视,碳排放量问题等等已经成为了必然趋势。我前两天去一个电池PACK厂商参观,跟他们谈一些项目非常壮观。一个月从汽车厂一下接到了8万套的电池订单,每个月开足马力一个月交一万套,这以前都是不可想象的。

通常情况,不同样的车,汽车电池会有不同的容量等级,基本上小车可能是在20-70度电,最小的有油电混合才10多度电,还有中巴车10-20度电,大巴车的容量以前峰顶是200左右现在做到了250,根据这个可以大概估一下每年整个动力电池的市场容量。通常按照市场规律,锂电池运行了几年之后,按照国家规定一般都是满五年或者是跑了八万公里或是最关键的指标(额定容量)低于正常容量的80%之后要被退下来。这个其实非常好理解,原来电动车能跑100公里最后只能跑80公里,而且当电动车运行了几年之后最容易出现的问题是单体电压的电压差会拉得越来越大,很容易触发内部的BMS保护导致车无法运行,这从技术上来说是一个必然现象。运行四五年之后车上的动力电池必须要退下来,但是退下来之后本身其实还是有70-80%的额定容量,这就是我们要用到的空间。

这个左边就是动力电池退役量的预测,右边是我们做的大概统计,退下来的动力电池到底有多少可以用?这是一个比较关键的问题,我们这里面写了一个报废率10%完全不能用的,维护类10%、可用类是80%。我着重解释一下这个数字,这个数字从目前来看是比较乐观的,或者说就是达不到的。2017年现在手里所拿到的退役动力电池基本上是2012年和2013年投运的,当时动力电池的制造水准和现在是完全不一样,所以那些电池拿过来之后能有50%-60%可用就不错了,剩下很多30%都是直接报废的,还有12%是可以进行简单维修再继续使用的。但是2014年、2015年之后的动力电池质量上相比以前真的是有一个质的提升。我看过很多动力电池PACK厂商自动化生产工艺,加上更严谨的设计方式,无论是接线、电芯或BMS整个技术水准比以前都有很大提升,我相信在这种状况下这些动力电池退下来之后,是完全可以被再利用的,所以我们这里面有了一个80%,比较乐观的估计说60%、70%也可以。毕竟市场这么大,这么多的退役电池,哪怕只有30%、40%都是有很大的空间的。


退役电池到底怎么用?这是最关键的问题。首先技术上要解决退役电池,大家都老生常谈的一致性的问题,在我们做储能或做光伏的人来说,其实有一个很明显答案,就是组串分布式。现在大中型储能基本上都是集中式,1MWh电池分成很多支路并联到一起,接到500kW的储能逆变器上。这种利用方式对于新电池来说没有任何问题,但是对于退役电池肯定不行。你从各种各样的车上拆出来的电池良莠不齐,各种各样的参数完全不一样,把他们并联在一起一定会出很多问题,一致性完全没有办法保证。在这种情况下我们提出组串分布式,就是以一辆车上拆下来的一套退役动力电池作为一个基本的储能单元电池组,然后配上一台中小功率的PCS,加上合适的监控单元构成一个基本的储能单元,再并联在一起,构成一个功率不等的中大型储能功率系统。很多人问这种方式到底行不行、可不可以用,做过光伏的人就会非常清楚,这种方式是完全可行的。2012年以前,在华为的逆变器没有投入到市场的时候,所有厂商做大型光伏电站的时候都是拿光伏逆变器用,因为他们觉得光伏面板太多了。华为进入市场的时候,用20kW的光伏组串为逆变器PK500kW的光伏逆变器。一个1MW的光伏电站,传统情况下是拿2台500kW的光伏逆变器拼的,华为是50台20kW的光伏逆变器。当时很多人说会不会有多机并联的问题,各种各样的问题确实会有,但是现在都已经解决了,最关键的好处是通过组串式解决方案最大化的发挥了每一个太阳能面板本身的优势。大家可以看到整个市场上现在组串式解决方案和集中式解决方案其实基本上是各占半壁江山。同样的道理我们可以把思想借鉴到储能系统中,而且最关键的是相对于太阳能面板来说储能电池太脆弱了。一个太阳能面板做集中式可以这么做,仅仅是为了发挥它的大的效应,作为一个储能电芯、电池来说这么多电池我们当然是尽量把它细化,进行管理比较好,所以组串分布式会是我们做梯次利用核心重点。每一辆车上的电池都串联在一起,配上一个PCS坚决做串联不做并联,这样的话通过这一台逆变器对这组串联电池进行合理的控制,其实是可以最大化的保证电池的一致性。所以我们这里画一张图,基本的储能单元就是这样,一台PCS配上一个储能单元监控系统。这个储能单元监控系统需要和BMS连接,然后和EMS联系,同时和PCS进行通讯,现在我们已经把储能单元系统集成到PCS内部,所以不需要额外的空间。

现在我们是按照两种方式来做的,基本上是说推出两种主要产品,一个是功率小点的,一个是功率大点的。其实这对我们来说无所谓,因为我们都是组串式的方案,基本上都是100-150度电为一个系统单元,基本上可以涵盖现在市场上绝大部分电动汽车退役电池,我估计未来两三年内这个要增加到200度电,因为有大量的电动汽车、大巴会退出来。200度电就要配到30到40千瓦,基本上是1:5、1:6的样子。功率和能量的高比例是我要谈的重点,为什么?因为可以保证退役电池可时间、长寿命使用。左下角这张图就是20千瓦120度电、130度电的储能系统,右边这张图就是1.1MWh左右的梯次利用储能系统,这张图里面包括了9套左右的20kW,总共是180kW大概是1MWh左右的容量。

对比传统的梯次利用方法,这里要强调的是整个梯次利用解决方案设计,核心的核心是降低成本。很多人研究动力电池都是要研究动力电池的拆解,这应该是最后的环节,电池不能用了再拆解。最多的方法还是要直接利用,把电动大巴上的退役电池拆下来之后直接利用,配上一些合适的控制策略就构成了基本储能单元。我们的流程可以看到,相对于传统做梯次利用的方式来说已经简化了很多步。这样的话,整个可以说一下系统成本,退役电池可以说没有价格,但是现在比较少,所以很多电池给我们的时候还谈出一些价格出来,只需要你配一些PCS控制系统和集装箱就好,相对于传统新锂电池来说成本至少要便宜一半这样就具有很大操作性了。

这里有两个比较关键的问题我想跟大家解释一下,第一点就是如何解决一致性的问题。刚才我说用组串式的方案只串联不并联。大家也要清楚一点,退役电池不是故障电池,退役是运行了五六年之后由于整体容量不足才退下来的,不是因为故障了、里面有故障才退下来的,里面有故障可以退还到电池厂商由电池厂商进行单个电芯的维修然后更换。所以退役电池其实就是整体容量不足,如果一辆车上的电池退下来,本身的整体容量性还是不错的,所以这是一个很关键的问题。退一万步讲,如果真的是退下来之后电池里面是有故障的,你一查之后发现这个能够显示出来,哪一个单体电池电芯有问题,我们是把它用在静态储能系统中,储能运行范围非常宽。中间如果不行,取出一两个来甚至几个,有的时候取出一个包来对整体容量又影响什么呢?反正原来就是要被淘汰的,没什么价值,能用起来最好,所以从这个角度考虑完全是可以解决一致性问题的。

第二点是最关键的问题,就是如何保障电池安全和可靠的长时间使用寿命。这里我用一句话概括一下,对待退役电池使用的时候,就应该把它当成铅酸类电池来用。刚才大家看到于总介绍铅炭电池的时候,有一个很重要的数据,他们所配储能系统的功率和容量比基本上都是1:8,750kW的PCS配上6MWh的电池。退役锂电池有同样的问题,因为退役锂电池到后期不能用,最关键原因就是在大电流充放电的情况下,单体电池电压跳的非常厉害,所以一定要让退役电池在使用的时候,控制在0.24以下甚至更小,当然因为这个条件意味着退役电池在使用的时候有很多局限性。调频是不能用的,甚至做离网我都不建议用,为什么?做离网的时候,储能系统功率是负载决定的,负载多大是没人控制得了的,只有做并网的时候,作为一个固定功率充放电的时候,才方便对储能系统进行管理。一个核心是0.24以下,如果是更小那最好,另外一个就是BOD,全新的锂电池一般都是在10%-100%,像这种退役锂电池肯定是不行的。右下方的数字是拿一套退役电池,大概有100多个电芯做的测试,红色是最高单体电池电芯的电压,蓝色是最低电芯电压。可以看到在小电流充放的时候电压差控制都很稳,一般不会超过20毫伏,这种情况下是可以保证长时间使用寿命,如果再看的话会发现在3.45伏的时候,红的线突然飙升到3.6,而蓝色的基本上变化不大,这就是因为BOD控制的不好,还是原来的电动汽车上使用的BOD进行控制,所以到临界点的时候,因为备用电池毕竟是老化的。从电器角度来看,电力电压飙升特别快,触发了单体电压差保护,导致整个系统要停下来。在这种情况下,最高的充电电压,其实也就是和我们最早的运行SOC相匹配,一定要控制住,一定要比原来的动力电车更小才可以。这两种技术条件加在一起,才可以保证这套系统长期稳定运行。大家可以看到右下角充电的图,这是真实运行的,是拿大功率充电,结果还是不错的。我们做的这套系统是从一个16米电动汽车上拆下来的,原来容量是140度电的系统,单体电芯的容量是360左右,放了四五年之后只剩下320左右,我们对它最大的充电电流是40MK也就是八分之一,跟铅酸铅炭电池使用条件是一样的,所以才能保证最高电压差和最低电压差控制在非常合理的范围内。这点是保证退役电池梯次利用非常重要的关键技术点。

下面我也介绍一下案例分享,这张图其实很简单就是谷期充峰值放。基本上就是谷值的时候充进来,白天放进来我就不再说了,所有储能系统中用户最典型的应用模式。这是在常州开始试运行的系统,这是内部图大家可以看到都是直接从电动汽车大巴上拆下来的退役电池,基本上原封不动搬过来的,很多外面壳子上还有铁锈,右侧是9套PCS180kW/1MWh的系统,右下角是外观,右上角是监控系统。基本上来说,我们现在给客户提供的项目质保一般是五年,但是我觉得这种运行方式运行到八年问题不大,好像大电池一样拿一个小水管充放对电池影响不大。

这是我们在上海一家公司做的商业式储能系统,直接把一套20千瓦、120度电左右的系统装到客户的公司里面,给公司提供削峰填谷。直接看一下这个数字,这个是一天的运行案例,因为本身120度电我们不会充满只会充90,峰时平时共放电99.6度电。因为我们这个客户是典型的商业用户,白天的负荷量很大。尤其是上海,白天特别热所有空调全部开起来,可是晚上下班之后没人了,我们知道各个地区的峰值电价包括两部分,一个是早上8-12点,另外是晚上6-10点,有的地区可能有点差异,但是大体是这样的。如果我们只放白天上午峰值部分,其实电是放不完的,因为晚上的时候基本上都已经没人了,但是同时我们因为对这个有需量管理(衡量你一天24小时最大功率不要超标),所以说我们要在下午放很多电过来。实际应用中不同的客户类型会碰到不同的问题。所以在上面的峰谷电价收益中每天净收益达到了68.5元,一年收益大概是21900左右。除此之外还有需量电费收益,正常情况下客户最高申到了80kW,后来我们建议客户申到60kW,我们自己本身再帮20kW。为什么我们只申请20kW的系统?其实是因为储能系统在运行的时候电池电压是要下降的,电流是固定的,所以电流输出功率基本上是减少。为了保险起见,20kW的输出功率取50%,按照50%来算每个月减少10kW,每年节约5040元。直接估算一下投资回报年限,我们是按照120度电一套系统一块钱的成本估算,大概是在4.45年收回投资成本,而且是按照一年运行320天来算的,这不是一个理论,是真实算出来。这个是我们记录日储能系统的报表。这个报表完全可以套用到1MWh的系统,1MWh就是由九套系统中弄出来的,从这里可以看到投资回报性是非常好的。我这里估算了一块钱一瓦时,明年可能是0.8元,后年可能是0.6元,电动汽车退役电池梯次利用最重要的就是成本。

来源:中国储能网

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