退役电池梯次利用可行性评估

一：电池包拆解

1：新能源汽车车载电池包（PACK）首先由锂离子电池（电芯）经过多级串并联构成蓄电池模组，再在电池管理系统的统一监控调度下，配合热管理设备、高低压电路、机械总成等附件系统，共同构成车载能量存储装置，为车辆行驶提供动力。动力电池退役时，是整个pack从车上拆解下来的。不同的车型有不同的电池pack设计，其内外部结构设计，模组连接方式，工艺技术差异较大，意味着不可能用一套拆解流水线适合所有的电池pack和内部模组。那么，在电池拆解方面，就需要进行柔性化的配置，将拆解流水线进行分段细化，针对不同的电池pack，在制定拆解操作流程时，要尽可能复用现有流水线的工段和工序，以提高作业效率，降低重复投资。

在拆解作业时，不可能完全实现自动化，必然存在大量的人工作业，而pack本身是高能量载体，如果操作不当，可能会发生短路、漏液等各种安全问题，进而可能造成起火或爆炸，导致人员伤亡和财产损失。因此，采取什么样的措施和方法，确保电池拆解过程中的安全作业，是梯次利用的一个重点。

电池包拆解工作量大、成本高，会引入新的安全风险，与之相比，换掉其中的短板电池后继续以电池包方式进行梯次利用是更为经济的方案；关于整包形式梯次利用：如果能够开发一套比较通用的储能系统架构，未来只需要把不同状态的电池系统关联进去并建立相应的通信系统。在内部本身有一套完整系统的基础上，即使电池包多次更换，仍然可以确保系统长期稳定运行。

2：不同电池包的使用环境和控制策略差异极大，拆解后重新配租的难度非常大；再次，电池从车上退下来不拆，在车上它的安全性是得到验证的，拆解以后对电池的安全性也带来了新的问题；

3：拆解过程会导致大量物理废弃，而重组又会引发新的物料成本。东莞钜威基于实际测试项目的运行经验表示，随机选取12套电池包，整个电池不开包，经过简单循环、均衡和筛选之后，整个电池组内电池参数的差异会变得相对较小，经过100多个循环后，系统总容量还基本维持在这个水平。北汽新能源、比亚迪等新能源汽车企业，杭州高特、东莞钜威等BMS和PACK企业，阳光普创、友信科技等储能系统集成商都对直接使用退役动力电池包进行梯次利用表达了支持态度。

二：筛选和评价

1：筛选

（1）：基本信息检查与登记

对应生产厂家、型号、生产批次

（2）：外观筛选

废旧动力电池包或模块外壳是否完好，外观变形、裂纹及漏液、表面平整外伤等；单体电芯是否有泄漏、破损、腐蚀、变形等

（3）：余能要求

动力电池包、模组、电芯的的放电容量标准限制；

（4）：自放电率

不同周期自放电率；

动力电池检测

2：电性能评估

对不同的电池模组建立数据库，根据材料体系、容量、内阻、剩余循环寿命等参数重新分组。分组参数设定要合理，过大不好，模组离散性大，成组为系统后，对系统性能和寿命影响很大；过小也不行，分组过于严格，会导致可匹配的模组少，系统集成困难，产品成本很高。标准如下：

（1）：容量和内阻一致性

动力电池组在出厂前的分选试验可以保证单体电池初始容量一致性较好，在使用过程中可以通过电池单体单独充放电来调整单体电池初始容量，使之差异性较小，所以初始容量不一致不是电动汽车电池成组应用的主要矛盾。

经过严格筛选的退役电池模组，在重新配对成组为系统之后，由于大多数电芯都已进入生命周期的中后期，其老化(劣化)速度不一，并且情况较刚出厂的电池要恶劣的多，突出表现为容量和内阻的差异越来越大，导致系统在可用容量和充放电功率方面越来越弱，可靠性问题严重。

（2）：电压一致性

电压不一致的主要影响因素在于并联组中动力电池的互充电，当并联组中一节动力电池电压低时，其他电池将给此电池充电。这种连接方式，会使低压电池容量小幅增加的同时高压电池容量急剧降低，能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出。

（3）：温升一致性

每只电芯，除了直接影响发热的内阻因素外，其内部电化学物质制造过程中形成的不一致，对发热量也会产生影响。每一只电芯在电池包中所处位置不同，造成其散热条件的差异，最终也会导致电芯温升不一致。

（4）：可靠性和安全性

拆解后的电池模组，仅通过目视检查，无法发现一些安全缺陷的，如轻微胀气、漏液、内短路、外壳破损、绝缘失效、极柱腐蚀等。如果这些安全缺陷不被检查出来，相关模组用到新产品中，那么会导致新产品存在较为严重的安全隐患。采取简单、快速而有效的检查措施为拆解后的电池模组进行安全“体检”，这是非常重要的测试工序。

a：电池内部安全隐患的不易判断

由于退役动力电池与新电池的状态有较大差异，还需要分析充放电倍率、充放电深度、充放电温度、环境温度等使用条件对电池性能的影响，明确电池在梯次利用阶段的使用边界条件。

b： 安全因素

退役动力电池，由于其内部枝晶生长、电解液消耗、晶体结构变化、界面阻抗增加等原因，其发生安全事故的风险变大；同时电池在电动汽车阶段的使用环境、工况不同，电池的容量保持率也不一致，这就造成退役动力电池安全事故的诱发因素和薄弱环节与新电池存在差异。

c：安全评估

针对退役动力电池安全性评估尚无成熟标准化的方法，常规方法为

首先对电池的外观进行检测，观察是否存在极耳断裂、鼓胀等物理缺陷；然后针对无明显物理缺陷的电池，依据动力或储能电池相关标准，抽样分析电池在极限条件下的状态；最后对不同状态的退役电池，抽样分析其自产热起始温度、热失控引发温度等特性。现有方法虽然可以剔除一些具有明显安全问题的电池（如鼓胀电池），但不能有效识别电池内部的安全隐患，同时抽样检测的比例也不好确定，比例过小不能准确反映整批次电池的安全状态，而比例过大使退役动力电池安全性评估的成本大幅度增加。

退役动力电池电芯、系统层级开发了系统全面的热失控测试评价方法，其中包括浅刺、加热、过充、外短路，热失控定量表征，电池系统层级的热失控致灾危害性及火灾防控评估，出具评估报告和电池安全改善方案。

三：寿命预测和重组

1：寿命预测

退役电池要实现在储能领域的应用，首先要判定退役电池是否满足储能领域对电池的要求。此外，分析不同温度下的容量衰减机理，合理的预测电池寿命，才能明确电池是否可以在质保期内满足工作要求。分析不同温度下的容量衰减机理，建立合理的电池寿命预测模型是亟待解决的技术难题。目标是针对典型的退役动力电池进行测试，并在分析测试数据的基础上，研究讨论容量衰减机制，建立一些基础的预测电池寿命模型。

1）：具有完善的电池在车载使用的阶段的运行数据。首先可通过历史数据分析来评估电池的剩余容量、内阻等当前状态，其次根据电池在车载使用过程中有无过充电、过放电、过热等滥用情况的发生以及退役时是否有鼓胀等问题来判断电池的安全状态，最后梯次利用的厂家拿到这些数据之后，结合电池的出厂数据，可以建立电池模组的简单寿命模型，能够大概预测电池的衰减趋势。这种诊断方法速度快、成本低，对动力电池容量的评估比较准确，同时对电池的剩余寿命预测也很有帮助；但该方法目前在电池内部安全隐患的识别上还不是很有效。

2）：退役动力电池的历史运行数据不完整或完全缺失。梯次利用的成本会提高很多，测试设备、测试费用、测试时间、分析建模等，都会增加不少的成本，导致梯次利用的经济价值降低。基于有限的数据，对剩余寿命的预测也是不准确的，这无疑又会增加梯次利用产品的品质风险，使得产品的生命周期成本较高。

目前有两种诊断方法：一是对电池模块或电池包进行几次完整的充放电，记录电池的电压、温度等参量的变化情况，分析单体之间的一致性；然后对退役动力电池进行抽样，分析电池在滥用条件下的安全性能和储能工况下的衰退特性；这种方法虽然能准确掌握退役动力电池的容量、内阻等状态以及单体之间的状态差异，但这种方法周期长、占用设备多，同时安全试验还破坏了电池，因此诊断成本较高。另一种方法是选取几个可快速测量的电池特征参量（开路电压、交流内阻等），通过对这些参量的快速评测来诊断电池的状态；这种诊断方法速度快、设备成本较低，但由于选取的特征参量与电池状态之间的关系尚不完全明确，通常诊断结果误差较大。

2：重组

考虑到电芯、模组、电池包等动力电池系统多级结构，在开展梯次利用时，通常会面临以何种级别的电池进行重组的问题，这也直接影响到梯次利用的技术难度和相关成本。

1）应当基于不同车型采取不同的梯次利用重组策略。乘用车电池包系统设计对空间利用率要求高，不同车型电池包形状差异较大，电池包级别的直接梯次利用难度稍大，而实现电池模块或单体级别的梯次利用则比较容易。大巴车电池箱标准化程度高，在保证一致性的前提下，可实现多箱电池包级别的梯次利用，有利于低成本梯次利用。

2) 成组技术

需要结合产品定位和目标市场，现有电池模组等级和类型，以及产品开发具体目标(性能，寿命等)，建立一个系统级模型，推算出相关的匹配系数，确定产品的总体方案。

3) 系统柔性设计

系统结构方面，需要充分考虑不同模组可能具有不同的尺寸，重量和串并联数，那么系统内部的结构设计应该是在X，Y，Z轴方向都有很大的弹性，以兼容不同的模组，固定方式既要考虑紧固性和可靠性，又要考虑弹性和便于快速装卸；

模组的线束连接方面，多柔性化考虑，做到可快插和快换。

3：重组电池管理系统

在新产品运行过程中，BMS承担着电池“家庭医生”的角色，面对各种化学体系、各种规格和批次、各个生产厂家、各种健康状态的电池模组，必须时刻对他们的安全状态进行监控，排查隐患，确保他们正常的工作。而电芯并不是一个特性比较明确的物理系统，而是一个在不断变化的化学系统，其各项参数都与运行工况、外部环境、内部劣化速度相关，随时间在不断的变化。因此，BMS的安全检测功能显得尤为重要。

（1）：在硬件方面，应确保BMS的硬件归一化设计，兼容各种不同的模组，而不必针对不同的模组和产品，开发多种规格的硬件产品。这样可以简化BMS的硬件开发、升级和维护，降低产品的成本。

（2）：在软件方面，需要做到底层软件模块化、标准化和固定化，应用层软件做到模块化、标准化和智能化，能够自适应各种类型的模组，并能够自我学习，在运行过程中为模组和电芯建立模型，做到智能化的监控、预测、诊断、报警和各类在线服务。软件的升级可在线进行，并可远程升级。

（3）：在系统集成方式方面，小功率、多分支结构成为梯次利用系统的优选集成方案。

上海煦达提出以一辆车上的电池作为一个电池簇并为之配备一个20kWPCS。为避免并联电池之间充放电影响系统效率，电池簇之间采用彼此串联的策略构建储能系统，一个集装箱储能系统使用9辆车的动力电池系统。

友信科技则提出，将车载电池系统做成低压模组，避免大规模串并联；电池模块在交流侧实现串联，由此确保不同电池类型、不同批次、不同性能状态的电池系统可以在同一个系统中协同运行，每个模组充入电量和放出电量完全受控。此种电路结构，可以在不改变电流总体方向的情况下，控制每个电池模块的电流方向、选择流入流出电池，也可以选择电流不经过电池，以此确保电池衰减不再是瞬间崩塌，而是一个逐渐衰减的过程。

四：经济特性

1：成本退役电池成本

（1）： 梯次利用经济性分析

动力电池梯次利用的经济性分析是在采用退役电池替代铅酸电池或新的锂离子电池后，分析替代前后的系统成本以及使用寿命，在此基础上评估梯次利用的经济性。在备用电源场景下，目前梯次利用电池系统成本（0.5-0.7元/Wh）略高于铅酸电池（0.4-0.5元/Wh），但在该场景下梯次利用电池的日历寿命更长，目前采用退役电池的经济性和铅酸电池相差不大；未来随着退役电池的成本下降和梯次利用阶段的寿命提升，在备用电源场景下采用退役电池的经济性会更好。在调峰场景下，由于近几年锂离子电池价格的快速下降，目前新电池储能系统的成本已降至1.8-2.0元/Wh，且在未来几年还会持续下降，因此，对于梯次利用电池，必须不断降低其状态评估、分选重组、系统集成等再制造过程的成本，同时在梯次利用阶段有良好的寿命特性，这样才能与新电池在经济性上具有竞争力。

（2）： 电池成本

（1）电池采购成本：受市场、政策、剩余容量和寿命、国家的相关政策等多种因素影响，价格相差较大，目前没有统一的定价机制。

（2）电池拆解成本：不同应用场景下的电池容量和电压等级不同，同时部分退役动力电池中一致性较差，因此需要对电池进行拆解所产生的费用。

2：运输成本

退役动力电池回收、运送至电池梯次利用检测、重组中心的运输和贮存费用。

3：检测成本

电池容量、内阻、寿命等参数测试费用，设备折旧费用，场地费用等。受历史数据的完整程度、性能诊断方式等因素影响，在电池状态诊断环节的成本也会有所差异；

4：重组成本

电池箱体、电池管理系统、连接线、变流器、电池防护、消防器材等成本。由于电池之间的差异度不同、应用场景不同、管理策略不同等原因，造成退役电池的重组成本也不相同。退役电池的成组方式不同、性能差异程度不一样造成在拆解环节的成本各不相同；

5：维护成本

运行维护成本：包括梯次利用电池系统运行期间的维护，检修、更换故障部件等。针对梯次利用电池储能系统的高效运维技术缺失，系统的运维成本不确定。

2： 梯次利用收益分析

采用退役动力电池替代铅酸电池或新的锂离子电池后，其净收益是否有所增加，其中净收益指梯次利用过程中的收益减去整个梯次利用过程中的成本。

对电池梯次利用阶段收益影响最大的是其剩余寿命，电池的剩余寿命可以分为日历寿命和循环寿命，在不同应用场景下对电池寿命的关注点不一样。目前在电网储能中退役电池较适合的应用场景是备用电源和调峰，备用电源主要关注电池的日历寿命，而调峰场景下更关注电池的循环寿命。中国电科院在研究中发现，对于生产年份较早（2012年以前）的动力电池，由于当时电池制造水平不高，退役后电池的剩余寿命不高，且一致性较差。2012年国内一线电池厂家制造的磷酸铁锂电池退役后，在电网调峰、容量备用等模拟工况下具有较好的寿命特性，在电网调峰模拟工况（室温0.5C、80%DOD）下电池寿命超过3000次；在容量备用模拟工况下依据衰退趋势推测，电池的使用寿命超过6年。

五： 梯次应用

1：应用场景

梯次利用动力电池储能是一个系统的过程，它涉及电池提供单位、新能源发电厂、建设储能电站以及通过电网向电力用户输送用电等过程。当前，主要应用于用户侧储能、通讯基站备用电源等领域。

应用场景

电池梯次利用还存在多种潜在应用场景：退役的电池状态千差万别，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。不同应用场景对电池的状态以及一致性要求也不相同，电池在不同应用场景下的衰退规律也有明显的差异，因此，在进行退役动力电池重组时，要根据电池的状态、电池之间一致性以及不同场景的衰退趋势，为其选取合适的应用场景。

2：存在难点

（1）：动力电池与储能电池技术标准存在差异

电动汽车与储能领域中应用的锂离子电池系统各自遵循相关的技术、接口、通信等标准，对比两种不同应用的标准、接口与通讯协议可看出两者仍存在一定的差异，其给退役锂离子动力电池的梯次利用带来了障碍。

（2）：储能领域对电池的温度性能要求高

储能领域的电池常常应用在温度变化幅度大的环境中，对温度性能的要求苛刻。这就要求退役动力电池在储能领域梯次利用时，要有非常宽的工作温度范围，并且能保证温度在短时间变化时电池的性能受到的影响程度在可控范围内。

六：改善措施

当前，退役动力电池的状态评估、分选、管理等关键技术研究还不够深入，造成梯次利用过程中的再制造成本较高；再者，新电池成本的持续下降使采用梯次利用电池的低成本优势变小。因此，对于动力电池的梯次利用，未来应在以下几个方面重点开展工作：

（1）：完善动力电池数据采集、存储体系，使其在退役时是一个历史数据完整的“白箱”，同时优化基于历史数据的电池状态诊断方法，开展退役动力电池的寿命、安全等性能的评价，掌握动力电池在梯次利用过程中的性能演变规律，研判退役动力电池的梯次利用的可行性，避免在动力电池梯次利用的决策上产生失误。

（2）：成本控制

在原材料环节，以较低的成本拿到电池pack，降低pack和模组拆解的难度，针对不同pack复用流水线和工艺，简化测试，建立电池模型等，降低梯次利用的成本。

在产品开发环节，系统集成是关键，电池模组混用、系统柔性化设计、BMS鲁棒性设计等，都能有效降低产品物料成本。

在产品的运维环节，确定合理的质保年限，做到智能化的管理，远程诊断和维护等，都会影响产品的生命周期成本。

突破退役动力状态评估、安全隐患识别、剩余寿命预测、电池重组和管理、系统集成和运维等关键技术，其中重点是电池安全隐患识别；分析梯次利用过程中状态评估、分选重组、系统集成和运维等环节的投入，利用上述关键技术降低梯次利用全过程的费用，其中重点是明确各环节的成本；

（3）： 产业链整合

动力电池的梯次利用产业链纵深梯度长，从用户(车主或商业运营单位)、车企、动力电池企业到梯次利用企业。这需要政府层面建立相关规范和标准，也需要产业链各环节的企业，一起紧密合作，成立电动汽车后市场的产业联盟，推动产业健康发展。

（4）： 商业模式创新

掌握电池在梯次利用阶段的性能衰退趋势和安全状态演变规律，明确不同状态电池适用的应用场景以及边界使用条件，其中重点是根据电池状态为其选取合适的场景。在不同应用场景下开展梯次利用电池的小规模工程应用，分析在实际工程应用中电池的状态以及性能变化规律，完善和优化动力电池梯次利用的关键技术。在产品的推广和应用方面，要充分考虑客户的现状和诉求，多种商业运作方式相结合，在充分帮助客户获利的基础上，获得自己的利益。可充分借鉴其他行业的一些成功经验，如分期付款、分时租赁、盈利后结算、托管运营、甚至免费供货(靠后续增值服务)等，探索梯次利用方面的有效商业模式。