中国电科院杨凯:梯次利用电池在电力储能的应用研究
发布时间:2018-11-09 14:52:00
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中国电科院杨凯:梯次利用电池在电力储能的应用研究

图为中国电科院杨凯在CBIS2018“锂想”峰会上发表主题演讲

 

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2018年11月8日,以“新时代·破而立:前行中的产业转折之路”为主题的“锂想”2018第三届动力电池应用国际峰会(CBIS2018)在北京兴基伯尔曼饭店开幕。中国电力科学研究院储能电池本体技术研究室主任杨凯在峰会上发表主题演讲,以下为主题演讲内容。


中国电科院杨凯


大家好!我来自于中国电力科学研究院,主要是做一些电化学储能相关的工作。梯次利用我认为是横跨动力电池领域和整个储能领域的行业,我今天下午主要是介绍一下我们在梯次利用方面的部分工作。

    

三个方面:

    

第一,背景方面。梯次利用这个行业是比较火的,近几年来热度不断提升,背景来说大家应该很清楚,近几年电池退役的量急剧增加,我们判断在2020年大概20GWh,2025年大概90GWh。从梯次利用定义来说就不多讲了,说的简单点就是,电动汽车利用完的在储能上面继续用。我这里想讲的是,梯次利用电池主要应用的领域我们认为主要有三个方面:低速电动车、电网应用、通讯基站的应用。而在这三个场景当中,电网的应用又是它的主要应用场景。为什么这么说?因为电网应用的场景非常丰富,它能给不同状态的梯次利用电池提供不同的应用场景,可以实现整个电池最大化的应用,所以我们认为电网的应用是梯次利用电池最主要的应用场景。

    

作为梯次利用的意义来说,简单说来,两个经济因素、一个环保的意义。经济上的意义,梯次利用电池延长整个电池的使用寿命,对于电动车这个方向来讲,它的初次采购成本,如果考虑未来梯次利用的话,它的初次采购成本是有可能降低的。同样,这样的电池到了储能这个行业肯定比新电池还是要便宜的,所以也能降低整个在储能环节的成本。第三方面就是环保意义。

    

作为梯次利用来说,目前国内和国外主要的情况是这样的,国内来说,做梯次利用有这么几个主力,一个是车厂,像比亚迪、北汽,再一个是铁塔公司,因为它的基站非常多,它是其中的一个,刚才我们说的通讯基站应用的主力,再就是电网公司,像国家电网、南网,再有就是一些民营企业。

    

国外来说,基本上是以汽车公司为主,他们应用为什么以汽车为主?因为汽车对整个电池的状态是非常了解的,有先天的优势,同时这些电池本身应用起来从产权到数据各方面都有先天的优势,所以基本上是车厂在做一些主导。梯次利用电池来说,从技术这个层次开展的主要就是状态的评估,简单说就是一个电池拿到这儿以后,健康状态是多少,还有多少容量,还能用多久,然后就是分选重组,然后就是电热管理,安全管理,后面我会讲到,安全管理应该是梯次利用电池当中我们认为是最关键的环节。因为大家也知道,近两年,从2017年到现在,储能的安全事故、召回事故非常多,电动车不妄下结论,但是储能确实从去年到现在安全事故非常多。所以梯次利用的安全隐患比新电池安全隐患还要大。因此,在安全管理方面挑战会更大。

    

从技术路线发展来讲,主要分为两个阶段,第一阶段,2015年以前,当时梯次利用大家刚刚开始做研究的时候,当时这个技术路线就是拆解,一直把它拆到单体,然后再对每个电池测试完以后再进行重组。这个方法应该讲,作为分选、包括对电池一致性方面,应该讲是有好处,但是违背了梯次利用在电网应用最根本的宗旨就是成本,我们知道储能应用三大条件,高安全、低成本、长寿命,在梯次利用这个环节我们始终要强调的是一个成本,因为如果旧电池的成本比新电池还高,梯次利用的路子是死的,直到今天仍然有人说,梯次利用到底这个事靠谱还是不靠谱,尽管说不太清楚,但是成本是追求的因素之一。这个技术路线成本很显然太高了,现在基本上已经被淘汰掉了。2015年以后的使用,基本上是在模组这个级别上的应用,主要的就是通过一些历史的数据来估算退役时候的容量等等这些特性,模组再进行应用,这是目前梯次利用这个技术,从全世界范围内来看一个主流的技术趋势。

    

下面介绍一下在我们做的梯次利用方面部分的工作,刚才讲到,我们认为电网的储能应用是消纳退役电池最有效的手段之一,目前来讲,因为本身低价格,能够给整个储能应用低成本创造一些新的机遇,目前从价格可以看到,退役价格的电池基本是新电池价格的一半左右。

    

我今天介绍的这部分工作,是对主流的三款梯次利用做评估,第一个,2008年奥运会电动大巴上退役下来的电池,是锰酸锂的电池,2012年退役的,另外一款是比亚迪的电池,从深圳的K9公交车上退役的电池,是2015年退役的,还有国家电网公司在青岛薛家岛有一个充换电站,是2016年退役的,下面两个是磷酸铁锂的,上面一个是锰酸锂的电池。

    

当时锰酸锂的原始容量是90安时,它退下来的时候基本上容量在一半左右了,大概55%左右,我们从容量分布图可以看到,基本上大部分容量在55%左右,就是45—55安时之间,内阻分散性比较大,基本上内阻在原电池的2倍以上,容量保持率还好。我们主要测了一下这个电池温升的特性、倍率的特性,我们在主流产品应用做的重要的工作是,来根据电网应用的场景估算电池能用多长时间,我们做估算来看,因为这个电池我们拿过来以后发现总体性能比较差,所以我们先是评估了一下,在电网相对来讲备用工况是储能应用工况里面相对来讲最温和的工况了,这样的工况下做测试,评估剩余寿命还能再用3天,在削峰填谷应用就是全充全放了,这种情况下的寿命大概1500次。平滑来讲,这个电池的差异性就变得比较显著,从这个分析来看,这些电池做平滑的应用是不太合适的。

    

对安全性的评估,我们依据当时的电池安全性的标准来测这个电池的话,电池安全性是没有问题的,通过这些标准都没有问题的,而且在后面两款梯次电池在单体电池依据当时的标准测安全性来看,基本上安全性都能过。这个电池因为当时量不是特别大,我们做了一个100千瓦时的储能系统,放在了大兴换电站旁边,作为备用电源,这个系统用了很短的时间,从循环次数来讲大概不超过50次,时间大概在4个月左右,这个系统就没法用了,为什么没法用了?就是电池的差异性快速的分散,最后造成电池的一致性极差,根本无法使用。从这个应用的案例来讲,这就算是一个梯次利用失败的案例,从这个案例上我们发现,在2012年以前的电池,当时的电池整个生产工艺和技术水平来讲,还不是特别的先进,因此电池先天的一致性不好,再经过动力电池应用以后,再在储能上面用,基本上没有什么意义。因此我们判断,做梯次利用电池应用,基本上2012年以后的电池还可以考虑。

    

这款就是刚刚说到的比亚迪的200安时电池,在这个图上可以看到,这个电池原始的容量是200安时,退下来以后大概容量在85%左右,内阻增加很小,基本上增加了10%的样子,整个电池一致性还是不错的。

    

同样我们测试了电池的倍率、充放电特性,测整个电池的温升特性,从温升特性上可以看到,这种电池在梯次利用场合用的话,建议工作电流应该控制在0.5C以下,我们建议要在0.5C以下的工况下应用。

    

这个电池的高低温特性,大家可以看到,在零度充放电的能量百分比还是90%以上,我们重点关注一下在储能这个工况下的应用可以看到,在全充全放的工况下循环4千次以后容量保持率还能达到93%,这个容量保持率跟退下来的时候相比,不是跟新电池相比,是跟退到我们这里的状态相比,在平滑的工况里面,一般用20%的GOD工况模拟,可以看到这个电池还是不错的。安全特性刚才讲到,通过安全特性测试标准,这个系统做的150千瓦、1兆瓦时的系统,这个系统是在我们国家电网公司在张北有一个风光储基地(储能实验室),在这上面做一些示范运行,基本上做一些平滑、削峰填谷的工况,这个电池的运营从2016年初运行到现在,这个状态还是很不错的,一直比较稳定。

    

第三款电池,青岛薛家岛电站22安时的电池,应该讲主体的电池来自于万向,新电池是22安时,退下来以后主体的容量大概在17安时—19安时之间。同样也是测了一下温度,这个结论跟前面差不多。

   

从低温的充放电来讲也是不错的,零度以下大概在90%以上,寿命还是可以的,100%DOD在1400次,跟前面比亚迪的还是有差距的,20%的DOD大概1000次,安全性也没有问题,通过当时的测试也没有问题。这个电池已经建设完成,是在国家风光储的二期当中,3兆瓦、9兆瓦时的系统,目前正在进行系统的调试。

    

从我们这几年做梯次利用来讲,我们有几点体会跟大家分享一下:

   

第一个体会,刚刚反复讲到了,不是所有的电池都具备梯次利用的价值,我们基本把这个线划到2012年比较合适。


 第二个体会,梯次利用当中的关键技术亟待突破。刚才我讲到国内也好、国际也好,在做梯次利用电池的时候其实真正从技术环节上来说,我们认为还没有做的特别细致,很关键的几个步骤,比如电池的健康状态评估,健康状态还能有多久,目前这个方法大家做的还比较肤浅,安全性方面,我说的不是电池本体的安全性,而是电池应用环节的安全性,这个跟电池厂所说的提升电池本体的安全性是有比较本质的差别的,我们所说的是应用环节的安全性,大家如果有机会看看现在做的储能工程来说,在这方面几乎是很缺失的,一旦有问题的话不可破。目前大家可以看到,目前的储能系统来说,一旦要着火的话基本上会烧光,很难控制住的。所以我说技术环节上还需要进行深入的研究。

    

第三个体会,对于梯次利用电池一定要找合适的应用场景,电网应用的场景非常丰富,可以给不同状态的电池找到合适的场景。

    

第四个体会,从未来的梯次利用来说性能肯定会越来越好,因为梯次利用跟新电池的水平提升是相辅相成的,新电池好了,梯次利用性能肯定会越来越好,价格也会不断降低,因此,梯次利用我们认为还是有应用的价值的,应用的技术还是要研究,还是要发展的。这是我们的观点。

    

第五个体会,讲到了所谓电池全寿命周期,在一开始,在电动车应用的时候就应该考虑到梯次利用的环节,包括历史数据,这是很重要的一部分资源,为什么现在在国外很多车厂在做主导,其实掌握这个历史数据是很重要的资源,能够通过历史数据的分析来判断电池的健康状态,其实要把一个电池,在不知道历史数据的情况下放在你的面前,让你马上说出电池的健康状态怎么样、有没有安全隐患、将来还有多长时间,是很难做的工作,尽管现在这个工作我们一直在做,包括今年一个国家重点研发计划的课题,专门研究梯次利用,里面专门有一相内容就是研究这个,但是这个工作非常难,用历史数据可能就会节省很多的精力。

    

最后一个,国家在这个层面也是不断的扶持,机制从梯次利用来讲,从2016年到现在热度不断增加,我们也认为,从我们国网公司这几年的研究和应用来讲,我们认为还是非常有前景的行业。

    

以上就是我讲的内容,谢谢大家!


(根据嘉宾现场演讲整理,未经本人审阅)


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