动力电池梯次利用不仅可以有效降低电动汽车用户和电力系统储能的成本，还可帮助缓解大量动力电池退役所带来的电池回收和环境污染压力。虽然国内部分企业及科研机构已开始尝试退役动力电池梯次利用，但对其利用潜力规模及经济性的分析仍然非常有限。本文在参考国外相关研究的基础上，结合国内电动汽车市场环境及车型特点，评估了未来电动汽车退役电池在电力系统中的储能应用潜力并分析了应用经济性。研究发现在可预见的电动汽车销量增速下，未来退役动力电池应用于电力系统储能具有巨大潜力，且随着电池模组标准化及电芯故障率降低逐渐显现其成本优势。

关键词： 退役电池；电动汽车；电池梯次利用；储能

随着我国新能源汽车推广规模的不断扩大，退役动力电池的梯次利用已被提上议事日程。《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策》提出废旧动力蓄电池的利用应遵循先梯级利用后再生利用的原则，提高资源利用率。电动汽车对车载动力电池的容量、比能量等性能参数有较高要求，当动力电池性能难以满足车用标准时必须对电池进行更换。从电动汽车上退役的动力电池通常还保有初始容量70%～80%的剩余容量，可应用在对能量密度要求不高的固定储能应用场景。对退役动力电池进行梯次利用将有助于降低电动汽车用户及电力系统的储能成本，让较高的储能成本能够在较长的使用寿命中在一次、二次用户中进行分摊。

国外研究机构较早就对电动汽车退役电池的梯次利用成本进行了评估。例如美国能源部阿贡国家实验室（ANL）研究量化评估了退役镍氢电池的储能容量衰减规律，并发现在公共事业公司负荷管理、工商业非道路特种车辆、不间断电源（UPS）等三类典型电池二次利用场景下退役的镍氢电池往往比铅酸电池有更好储能效果；美国Sandia国家实验室（SNL）的研究分析了退役动力电池的再应用成本，并构建了相应的经济性分析模型，研究发现动力电池的二次利用并没有不可逾越的技术障碍，而决定其实际应用效果的关键要素包括电池模组的标准化、重组电池模块的人力成本、电动汽车用户参与电池二次利用的激励机制、电池容量保持率状态预测精度因素。研究发现电网运行支撑、工商业/居民负荷跟踪及通信基站备用是电池二次利用在近期有望实现应用场景，但即使在上述应用场景中，较高周边系统成本（balance of system, BOS）和大量系统测试仍是需首先解决的问题。美国电力科学研究院（EPRI）的研究对比了铅酸、镍氢、锂离子及锂聚合物电池在电力系统、通信基站、UPS电源等领域的应用前景。报告强调了理清电池梯次利用技术流程及成本、解决电池质保、电动汽车用户收益以及电池老化机理分析的重要性。

2008年起，随着美国加州政府将零排放车辆激励重新转向插电式电动汽车，退役电池梯次利用更成为业界研究焦点，包括构建电池梯次利用残值计算框架、电池二次利用积分对降低电动汽车成本的作用、退役锂电池重组成本计算、退役电池电网储能应用经济性及市场潜力评估以及退役电池二次利用技术测试。上述研究论证了电动汽车退役电池进行储能二次利用的可行性，但也不同程度反映了电池老化速率、退役电池的市场需求对电池储能梯次利用经济性的影响。美国橡树岭国家实验室（ORNL）分析认为退役电池的回收及运输环节所导致的成本可达100美元/(kW·h)，占电池梯次利用总成本中的比重最大；Navigant Research则认为目前车用退役电池在美国和欧洲都被归类为危险废弃物，同时电池梯次利用还存在较高运输成本、低价锂电池市场竞争、电网企业对可靠性及长寿命的较高要求以及缺少专门针对退役电池的BMS设计与集成等挑战。

近年来我国科研机构及相关企业也正在加速开展动力电池梯次利用的研究与示范，具体见表1。例如出租车充电站梯次利用电池储能示范，退役的电动出租车动力电池主要用于调节变压器功率输出，稳定节点电压水平及帮助充电站实现离网运行；或将废旧新能源汽车拆解及回收再利用，通过动力电池再利用生产线，将动力电池应用于储能、供电基站、路灯及供电工具等领域。但相关研究多侧重于动力电池梯次利用的技术可行性的测试与示范，缺乏对规模潜力及经济性的量化分析。

表1 国内外退役电池储能梯次利用典型案例

1 动力电池储能梯次利用规模潜力

规模潜力及经济性是当前退役动力电池梯次利用的两个主要问题。本文首先从动力电池梯次利用的规模潜力出发，分析车辆数量、车型种类、电池种类、车辆运行强度等影响退役电池梯次利用潜力的因素。由于各类车型动力电池规格不同，且不同电池技术的老化速率各异，导致其储能梯次利用规模具有一定的不确定性，因此本节将基于分车型电动汽车销量预测及电池容量衰减假设，预测未来动力电池梯次利用的规模潜力。

1.1?车辆规模

电动汽车数量规模是影响梯次利用规模潜力的首要因素。受政策驱动，近年来电动汽车规模增速显著。2015年全国新能源汽车销量33.1万辆，其中纯电动汽车24.8万辆，占比75%。到2015年底，全国新能源车保有量达58.32万辆，其中纯电动汽车33.2万辆，占比57%。关于电动汽车渗透率的预测，多篇国内外文献也基于各种分析方法针对电动汽车在内的新能源汽车保有量进行了预测。通常采用的回归分析法将产品市场发展过程分为加速增长期、减速增长期和饱和期三阶段S型增长方式。典型回归模型包括指数增长曲线法、时间序列法等。对于电动汽车在内的新能源汽车，由于缺乏历史数据，通常采用定性与定量相结合的方式进行趋势 预测。

本文采用Bass扩散模型预测我国新能源汽车保有量发展趋势。美国管理心理学家弗兰克·巴斯（FRANK M. BASS）提出的巴斯扩散模型（Bass Diffusion Model）及其扩展理论，常被用作市场分析工具，对新产品、新技术需求进行预测。作为诸多市场工具中的一种，巴斯扩散模型的主要功能是对新开发的消费者耐用品的市场购买数量进行描述和预测。Bass模型假设一项新产品投入市场后，其扩散速度受到大众传播媒介（如广告等）和已采用者对未采用者的宣传等内部影响。以我国新能源汽车市场规模为例[式(1)]。

（1）

式中，n(i)代表t年新增新能源汽车数量；N(i)代表t年累计新能源汽车数量；m代表最大市场潜力；a、b分别代表外部影响（创新）系数和内部影响（模仿）系数。

根据我国2001—2010年汽车保有量统计及2020年新能源汽车发展规划目标拟合公式(1)中的a和b分别为0.01和0.05，某一类车辆动力技术车辆数保有量取决于历年该技术车辆留存率与历年销量。

式中，i代表车辆动力技术；v代表车辆运行年份；y代表模型运算当前年份；Stockt,y代表y年t车辆动力技术车辆存量；Salest,y代表y年t车辆动力技术增量；Sharemode,t,y代表y年t车辆动力技术车型销量比重；Sales development代表y年t车辆动力技术销量变化系数；Survival代表车辆留存率；V代表车辆寿命。依此对我国新能源汽车增长趋势进行预测，得到2030年电动乘用车销量为1734万辆，大型电动客车销量91万辆。届时，电动汽车总保有量达到1.14亿辆，其中电动乘用车1.08亿辆，占比95%；大型电动客车530万辆，占比5%。

1.2?电池技术及容量

目前国内市场上动力乘用车电池容量一般在20～60 kW·h，大型客车电池容量普遍高于200 kW·h。随着动力电池技术的进步未来电池比能量还将不断提升。根据日本新能源产业综合开发机构（NEDO）的预测，到2030年全固态聚合物电池、锂硫电池和锂空气电池将成为主流的车用动力电池技术，比能量将达到500 W·h/kg；美国能源部预测电动汽车技术的动力电池比能量应达到800 W·h/kg，以满足550公里续航目标。在我国，国务院曾在2012年提出到2020年比能量达到300 W·h/kg的动力电池发展目标；电动汽车百人会则预测到2020年，动力电池比能量达到350 W·h/kg，2030年达到500 W·h/kg。

本研究假设未来动力电池质量将维持不变，续航里程的进步主要依赖电池比能量的提升，假设当前电动乘用车动力电池系统平均容量为30 kW·h，比能量为150 W·h/kg，则当前电池系统质量为200 kg。研究综合上述研究机构预测结果，即2030年电池系统比能量达到500 W·h/kg，则平均每车动力电池容量将达到100 kW·h。采用同样方法，假设当前电动大客车电池平均为200 kW·h/辆，电池比能量为100 W·h/kg。考虑到电动大巴对动力电池比能量敏感度相对较低及对安全性要求较高等因素，本文假设电动大巴电池比能量增速相对较慢，即到2030年比能量达到300 W·h/kg，则保持动力电池体积不变情况下，其电池容量为600 kW·h/辆。

1.3?退役动力电池储能容量

本文将动力电池退役的原因归结为两类：车辆达到使用年限而淘汰导致动力电池