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李剑铎:退役动力电池储能梯次利用有突破

中国储能网讯:2017年8月25-26日,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的首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会,在无锡召开。演讲嘉宾中,煦达科技(中恒电气控股子公司)总经理李剑铎博士于26日上午分享了其团队在退役动力电池储能梯次利用方面取得的突破性进展。浙商证券电力设备与新能源研究团队(郑丹丹团队)友情辑录如下。

郑丹丹(浙商证券电力设备与新能源行业首席研究员):

各位来宾,早安。我是来自浙商证券研究所的郑丹丹,非常荣幸为大家主持今天上午的活动。很感谢中国化学与物理行业协会储能应用分会各位工作人员的精心组织,在不久前苏州一别以后,我们今天相聚在无锡太湖之滨,共话储能产业的发展。

郑丹丹:过去四年,在中国,新能源车产业开启了爆发式增长,截至2016年年底,中国新能源车的保有量已经突破了100万辆,位居全球第一。随着时间的推移,越来越多的退役动力电池将逐步涌入市场,对于梯次利用的研究与实践已经摆上了议事日程。接下来,我们很荣幸地邀请中恒电气子公司煦达新能源总经理李剑铎博士,分享他们在梯次利用方面的经验,有请!

李剑铎(上海煦达新能源科技有限公司总经理):

大家上午好!我是中恒电气-上海煦达新能源科技有限公司的总经理李剑铎,很高兴与大家一起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》。首先说几句题外话:近两年在绿色环保的时代背景下,电动车步入快速发展期,每年都以几十万辆的新增体量投向市场,所以退役动力电池梯次利用也逐渐成为行业热点。

关于退役电动汽车电池梯次利用如何实现,业内是有很多争议的,从个人角度,我认为:首先,当前新能源汽车大规模地投入市场,未来3-5年一定会有大批量的退役动力电池出现,这种退役锂电池不像以前的铅酸电池使用完之后完全没有利用价值,一般还有60%-80%的剩余容量,如果可以通过比较好的技术手段把它们利用起来,会是很好的产业方向。

其次,关于储能系统,大家谈论了各种功能和应用模式,核心的问题就是成本。储能的系统成本始终居高不下,老早以前至少4元/Wh,没有任何经济性。最近两年随着新能源车的发展,动力锂电池的大幅降价使储能系统成本也大幅下降,现在一个集装箱储能平均成本在2元/Wh左右。即使这样,商业化的储能电站也要运行十年以上的时间才能收回成本。十年后的电池是否还能用?这是一个很大的问题,对客户基本没有吸引力。

既然市场上存在这么大批量的退役动力电池,同时储能系统又需要低成本的解决方案,我们可以考虑把两者结合起来用在储能系统中,使储能市场有更好的发展。退役电池梯次利用的确会面临很多技术问题,但也因此显得更有价值。个人认为,市场的驱动力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也做了一些尝试,并取得一些成绩,今天正好借这个机会与大家分享一下。

我今天报告的内容包括:一,简单介绍一下煦达新能源的产品;二,讨论一下退役动力电池的市场;三,就煦达新能源如何将退役电池用在静态的储能系统中,尤其是用在削峰填谷方面及如何解决退役电池一致性等问题进行详细阐述;四,案例介绍和经济性分析;最后是报告总结。

煦达新能源成立于2011年,从2012年开始做储能,是国内最早一批开始做储能的公司。煦达新能源的母公司是中恒电气股份有限公司,2016年正式开始对煦达进行控股。中恒电气本身在国内做电源,是各种通信电源、电力操作电源的国内领先厂商,而煦达新能源公司业务主要分为国内和国外两大块。国外主要做户用储能,今年年初通过和国内某个著名的能源商合作,在欧洲推出了一系列新的户用储能产品,市场反应非常好,3月份开始量产,5月份开始到德国当地进行安装,到目前为止我们已经出了1000套,我相信这个数字在国内来说应该是第一位的,在德国也会进到前五名。

现在,我们正式进入到退役动力电池市场当中。这个市场容量有多大?想必大家都很清楚。2015年电动车产量接近38万辆,2016年产量超过50万辆,预计到2020年产销200万辆,我相信届时总保有量很容易达到500万辆。随着大家对环境污染、碳排放等问题越来越重视,对于退役动力电池进行梯次利用,已经成了必然趋势。

前几天我曾去某个电池PACK厂参观,非常壮观。这家厂一个月内从汽车厂接到了8万套的电池订单,开足马力每个月交1万套,这在以前是难以想象的。通常情况下,因为车不同,退役动力电池会有不同的容量等级。基本上乘用车电池容量为20-70度电:最小的有油电混合动力,十几度电;中巴车80-120度电;以前大巴车的容量顶峰是200度电左右,现在做到了250度电。由此,可以估算出每年动力电池的市场容量。按照国家规定,电动车满五年或行驶到达八万公里,电池额定容量低于正常容量的80%,都要被退下来。而且当电动车运行几年之后,最容易出现的问题是单体电压差会越来越大,从而触发内部的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更换下来,由于换下来的电池一般本身还有70%-80%的额定容量,这就是我们要利用的空间。

退役下来的动力电池到底有多少可以利用?报废率10%是完全不能用的,维护类占10%,可用类占80%。针对这个数字着重解释一下:目前来看比较乐观,因为我们现在(编者注:2017年)拿到的退役动力电池基本上是2012年、2013年投运的,当时动力电池的制造水准不能和现在相比,那些电池能有50%-60%可继续使用就不错了,剩下30%直接报废,还有10%-20%可以进行简单维修再继续使用。但是2014年、2015年及以后的动力电池,质量比以前有明显提升,我看过的很多动力电池PACK厂商,采用自动化生产工艺加上更严谨的设计方式,无论是接线、电芯还是BMS,整个技术水准比以前都有很大提升。我相信,在这种情况下,这些动力电池退下来之后完全可以被再利用。这里的80%是比较乐观的估计,保守估计是60%-70%。毕竟基数很大,哪怕只有30%-40%的退役电池可被利用,市场空间都是很大的。

退役电池到底如何使用?这是最关键的问题。首先,技术上要解决退役电池老生常谈的一致性问题。对我们做储能或光伏的人来说,其实有一个很明显的答案——组串分布式。

现在大中型储能基本上都是集中式,一兆瓦时电池分成很多支路并联到一起,接到500千瓦的储能逆变器上。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。从不同车上拆出来的电池良莠不齐,参数完全不一样,把他们并联在一起会出很多问题,一致性无法保证。所以,在这种情况下,我们提出组串分布式: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,配上一台中小功率的PCS再加上合适的监控单元,构成一个基本的储能单元,然后并联在一起构成一个功率不等的中大型储能系统。

很多人会问,这种方式到底行不行,可不可以用?做过光伏的人会非常清楚,这种方式是完全可行的。几年前,做大型光伏电站的厂商基本都用大容量光伏逆变器。后来,华为进入市场,拿20kW的光伏组串式逆变器拼500kW的光伏逆变器,一个1MW的光伏电站,传统情况下是用2台500kW的光伏逆变器,华为用50台20KW的光伏逆变器,当时很多人担心出现多机并联等各种各样的问题,确实有一些问题,但都解决了,关键是通过组串式解决方案最大化地发挥了每一块太阳能面板本身的发电优势。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基本上各占半壁江山。同样的道理,我们可以把这种理念借鉴到储能系统中。

面对这么多储能电池,我们当然是尽量对其细化管理比较好,所以组串分布式会是我们做梯次利用的核心要点。将一辆车上的电池串联在一起,配上一个PCS,坚决做串联不做并联,通过这一台逆变器对这组串联电池进行合理的控制,可以最大化地保证电池的一致性。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,应该说推出了两种主要产品:一个功率小点,另一个功率大点。其实这对我们来说无所谓,因为都是组串式的方案,基本上都是100-150度电为一个系统单元,涵盖了现在市场上绝大部分的电动汽车退役电池,我估计未来两三年内要增加到200度电。大量的电动大巴的电池会退下来,200度电要配到30-40kW的逆变器,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。为什么可以保证退役电池可以长时间长寿命的使用?来看左下角这张图,20千瓦120度电、130度电的储能系统,右图就是1.1MWh左右的梯次利用储能系统,这张图包括了9套20

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