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科陆刘佳璐:动力电池规模化梯次利用中的快速分选和系统重组解决方案

日期:2019-05-08    来源:中国储能网

国际新能源网

2019
05/08
14:48
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关键词: 动力电池 电动汽车 新能源汽车

   4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日上午的“储能电池与技术应用(上)”专场,深圳市科陆电子科技股份有限公司副总工刘佳璐在会上分享了主题报告《动力电池规模化梯次利用中的快速分选和系统重组解决方案》,以下为演讲实录:

  刘佳璐:各位尊敬的来宾,上午好!我用最简练的语言、最短的时间快速的给各位汇报一下我们近期在动力电池梯次利用方面一些主要的工作成果。

  我的介绍分三个部分:第一,背景介绍;第二,当前动力电池梯次利用的研究现状;第三,我们在快速分选和系统重组方面的主要研究成果和应用成果;第四,储能行业和动力电池梯次利用领域的一些总结与展望。

  前面各位专家已经把这些情况介绍的差不多了,这里面我简单的把我的理解给大家重复一下。

  电动汽车,毫无疑问已经是国家能源战略和汽车战略重要的话题,根据现在的情况来看,从2014年、2015年以后,电动汽车开始逐步普及,到2020年预计会达到每年使用量在100多万辆以上,在2025年以后,根据百万辆汽车的电池,大概5年左右的周期淘汰,从2025年以后,退役下来的动力电池量就会在四五十个GW以上,保守的估计会在每年四五十个GW以上。目前退役动力电池的来源相对来说稍微差一些、稍微少一些,因为目前主要是2014年、2015连左右的汽车电池退役下来的,2014年、2015您期间电动汽车的普及量远远没有这两年的普及这么迅猛。

  还要简单说一个问题,动力电池的发展跟当前储能行业的发展形成了很强的联盟关系,动力电池毫无疑问这些年的发展都是选用了锂离子电池,我当时在2010年年初去国家电网公司工作的时候,当时正好开始轰轰烈烈的开展坚强的智能电网的建设,坚强的智能电网建设包含着源、网、荷、储,当时特别倾向于用锂离子电池,可以跟未来的电动汽车发展形成联动关系,当一些储能站可以用退役下来的电动汽车的电源,实际上这个概念不是说这两年才有的,当时2010年国家电网公司布局的时候已经考虑到了这个问题,也是为什么当时铅炭电池、液流电池,当时的情况各有各的优势,当时都差不多,但是经过了将近10年的发展,锂离子电池一直是处在价格下降非常快、各方面性能提高也非常明显,其他种类的电池虽然也投入了很大的研究、也有很多方式,但是一直没有锂离子电池在储能领域当中占比这么高。

  这是国家关于新能源汽车的相关政策。

  这个是以后动力电池的退役量。到2020年退役量大概估计是10GW左右,后来我个人估计大概到2025年是四五十个GW,到2030年应该是超过百个GW左右。

  对当前的锂离子电池对铅炭电池比较最明显的问题就是,锂离子电池退役回收的问题。我们采用梯次利用,虽然最终不能解决最末端的问题,但是可以把电池的应用再进行延长,可以再争取更多的末端处理的时间。而且后边当大量的锂离子电池退役下来以后,如何处理也会成为大家环境困扰的主要问题。

  对于当前的储能来说,储能行业,因为我现在的科陆公司,在储能行业也深耕了将近10年的时间,储能领域目前面临最严重的问题就是成本问题,除了一些很特殊的环境,像调频、电力辅助服务等等,能把储能的价值充分发挥,而且能够快速收回成本以外,像其他领域,尤其像用户侧的削峰填谷项目,电池的成本实际是影响到当前项目推广的重要问题,因为很多项目我们在算的时候几乎是精打细算一分钱一分钱往下抠的。而且整体电价还是下降的趋势,大家也看到,政府这边要求两大电网公司也在不断的下调电价,基准电价一旦下调,对储能的打击、对储能在用户侧推广应用的打击又是非常非常大的。另一方面,对于电池梯次利用的普及以后,一旦带来储能行业的爆发,同时跟电动汽车动力电池之间会有一个联动的关系。对于电动汽车来说,也会降低电动汽车相关的使用成本。

  当前动力电池和储能的电池目前还不完全是一回事,虽然在工艺方面、电极方面有很多的相似之处,但是侧重点还是不一样的,动力电池更强调能量密度,储能电池更强调的是循环寿命,储能电池的循环寿命现在可以做到单体电池七八千次以上、甚至接近万次的目标,动力电池一般来说现在的技术只要达到2千次以上,虽然目标是三四千次,2千次以上就够了,充电汽车假设跑300公里,跑2千次就是五六十万公里,这个已经足够汽车类的使用了。这个是动力电池的全生命周期,把汽车电池可以通过Pack装在汽车上使用,当汽车上淘汰下来以后,把这些电池可以再进行一次再生的使用,通过再生使用可以使得退役电池充分发挥一次余热,最终还是要进行原材料的拆解。

  这是当前梯次利用动力电池的现状。实际梯次利用这个概念并不是一个很新的概念,在七八年前的时候就已经展开了电池的梯次利用工作了。当时一直存在一个问题就是,大规模的梯次利用是很大的一个难题。再一个,大规模使用以后的安全性问题,包括在梯次利用以后的电池性能也是有很大下降的。特别是梯次利用以后的动力电池,不适合用于高倍率的放电,只能做0.15C左右的充放电倍率。

  这是简单小规模的梯次利用,包含应用在一些小容量的项目当中,近期在江苏省电力公司这边也做了一些,包括南方电网公司也做了一些兆瓦级的梯次利用尝试,目前离大规模的推广应用,尤其是到百兆瓦级、几十兆瓦级的电站,目前差距还是非常大的。正是因为在这种前提之下,我们公司和南网公司、相关的一些电网体系内的科研院所共同开展了动力电池标准化梯次利用的国家重大专项的项目。

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  这张图是这个项目主要的技术路线图,首先开始是把退役下来的电芯进行健康状态和残值的评估,按照前面的评估技术进行快速的分选,对于分选下来的一部分电池、短板电池需要进行内部的重组进行,大部分电池再进行一些系统级的重组。第一层就是电池层我们需要做的工作。第二层是关于系统层,我们在系统层需要做一些热平衡的技术以及多层级的安全管理技术,对我公司来说主要承担的就是模块系统的主要重组技术。最后一部分是应用层,就是把这些项目拿过来做一些示范工程,并且做一些后期的运营评估以及商业模式等等这方面的研究。最终通过这个课题提出一些再退役的标准。

  这个图就是对健康状态的评估,通过白箱电池和黑箱电池建立不同的评估体系,现在退役下来的电池有一部分是黑箱电池为主,白箱电池还比较少,未来过几年以后,大概退役下来就是到2021年、2022年以后应该大部分都是白箱电池退役。

  这是关于SOH和残值模型、评估模型,进行衰减的模式识别,进行内部参数演变的判别,最后得出这个残值的评估值。对于白箱电池直接可以进行健康因子的提取,做出性能衰减的模型和残值评估。

  最后是我们基于泛在电力物联网的快速分选技术。这是我们公司在这个课题中承担的非常重要的部分,主要是做出来的电池一部分经过筛选以后是可以进行直接应用的,一次性差的电池进行初筛以后再去上这套类似于我们公司以前做的检测快速分选的检测方式,因为科陆公司以前在电表侧领域是有很强的积累的,所以我们做电池性能指标的分析当中也采用了更加精细化的分析,能够进行筛选,可以筛选出来一部分是可以进行配组的,另一部分是可以进行修复的,还有一部分是需要再去进行回收的。分选装置最终能达到实现的是单个模块的分选时间可以在半个小时之内分选完,一天一般可以超过1个兆瓦,大概就是1.2—1.5兆瓦左右的一天筛选电池的量。

  这个是对短板电池我们采用的脉冲式的隔离均衡,对于严重的短板电池可以采用静态旁路的隔离,对Pack本身情况,不拆Pack的情况下做这种内部的一些短板电池的处理。

  下面这张图,针对不同类型的重组方案,最简单的一种,就是进行常规重组,这个就是对电池的性能最理想的情况下可以采用常规重组,对性能较差的可以采用第二个是这个方式接入,对于更差的电池可以采用类似组串式的接入,做光伏电站的可以很好理解,组串式的光伏逆变器一样,对这种不均衡性较强的情况下有很强的调节作用,可以调节成较为一致的接入到母线上。再差的采用这种微型PCS,就是对于每个模块做小的DC/DC变换,接入系统当中,这样可以达到绝大部分电池,我们的目标是达到90%以上的回收来得电池经过筛选以后都能够接入到整个系统当中,能够应用于更大规模的储能电站。

  这张图是针对我们做完梯次利用以后不同的应用场景,包含了调频调峰,包含了电网侧的应用,以及用户侧的峰谷差套利和平抑新能源的电网波动,这几大类应用。目前现在储能应用当中,实际当前都是比较缺乏政策支持的,绝大部分省份目前都没有政策支持,而且商业模式实际也都是探索当中,目前拿这几个例子来说。像发电侧来说有一个细则考核,对于电网侧目前实际上是没有明显的政策的。对于用户侧来说现在只有峰谷电价差,前面也有人讲,包括需量管理和容量管理以及备用电源的作用等等,对于新能源侧目前还是一个很缺少政策的状态,所以对当前来说在储能大环境当中还是存在着很大的推广和普及的压力的。

  最后再做一下总结与展望,这是当前中国的储能市场发展,就不太给大家详细说了。

  最后一张图我也简单说一下,从未来的发展趋势来说,储能还是能源互联网和智能电网当中的一个源、网、荷、储的重要环节,同时,在未来的储能发展方向来说,这里面第二段和第三段我是比较看好的,储能后边都会把这个市场进行细分,就是分成高端市场和低端市场,低端市场,尤其像用户侧这种市场,实际上也是梯次利用重要的一个应用场景。

  我就介绍到这里,谢谢大家!
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