欢迎光临沈阳汽车资讯网

热门搜索:
当前位置: 汽车资讯>动力

退役动力电池有救了电动汽车动力电池的梯次

2018-09-18 00:56:54 作者: 0人读过 | 我要赞

退役动力电池有救了 电动汽车动力电池的梯次利用分析

一、 为了我们生存的家园

谈梯次利用之前,有必要对我国的电动汽车发展历程,做个简短的回顾。

随着全球环境的加速恶化和不可再生资源以可见的速度枯竭,各国政府都在想尽办法解决我们所面临的后工业化时代的环境危机和生存危机。这其中以新能源汽车的推广最具代表性,参与主体涵盖了欧、美、日、中等世界主要经济体,也是全球最主要的汽车市场,大家基本上是百花齐放,各展所长。

在我国新能源汽车的发展路线上,由于我们在混合动力、燃料电池等领域缺乏足够的基础技术研究和产业化积累,为了在新能源汽车领域不落后于人,考虑我国的电池企业在全球还有一席之地,政府从一开始就采取了一种较为激进的做法,即政府主导部门主要推动纯电动汽车的发展,并为此制订了一系列国家层面的产业引导政策,这一做法曾经被戏称为“弯道超车”。

以下为我国中央政府近5年来所推出的一系列涉及新能源汽车的相关政策,不包含各地方政府单独制定的区域性政策:

《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》

《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》

《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》

《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》

《四部委确定首批新能源汽车推广应用城市或区域名单》

《国务院办公厅印发年节能减排低碳发展行动方案》

《关于进一步做好新能源汽车推广应用工作的通知》

《关于支持沈阳长春等城市或区域开展新能源汽车推广应用工作的通知》

《关于印发政府机关及公共机构购买新能源汽车实施方案的通知》

《关于免征新能源汽车车辆购置税的公告》

《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》

《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》

《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录(第一批)》

《京津冀公交等公共服务领域新能源汽车推广工作方案》的通知

《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》(第二批)

《关于印发加强“车油路”统筹加快推进机动车污染综合防治方案的通知》

《关于印发能源发展战略行动计划(年)的通知》

《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》

《新建纯电动乘用车生产企业投资项目和生产准入管理的暂行规定(征求意见稿)》

《锂离子电池行业规范条件》

《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》(第三批)

《关于年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》

《关于开展新能源汽车推广应用城市考核工作的通知》

《中国制造2025规划纲要》

2014年之前,各地方政府在电动汽车的推广方面,大多雷声大雨点小,原因大致有:产品不成熟;消费者认可度不高;商业模式不明朗;成本和售价高昂;充电设施不完善等。除了各地政府搞的一些示范工程外,电动汽车的大规模商业普及显得力不从心。我国政府2012年制定的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020)》中要求,到2015年实现累计销量50万辆的新能源汽车推广目标,到2020年则要求实现200万辆生产能力和500万辆累计销量的产业目标。

得益于政府近十年不断加码的政策扶持,社会大众的环保意识逐步加强,各地方充电基础设施的大规模建设,以及国内一批企业在技术研发和产品推广方面的持续努力,我国的电动汽车市场在2014年迎来了“井喷”发展的一年。那些在电动汽车产业链上下游精耕细作的企业,也终于挺过了黎明前的黑暗,迎来了希望的曙光。

统计数据包含乘用车和商用车

统计数据不含商用车

在经历一系列的曲折之后,不管是政府还是企业都意识到,纯电动汽车的推广还有很多当前无法克服的瓶颈,而原本不那么受“待见”的混合动力汽车,则成为当下能够有效衔接政府目标和社会需求的产品,所以市场出现了混动车型和纯电动车型齐头并进的局面。

2014年中国市场电动乘用车销量排名

2014年 中国市场各类型电动车销量统计(工信部数据)

中国电动汽车市场的“一哥”比亚迪,押宝电动汽车十年,在政策和市场的双重驱动下,也逐渐迎来了自己的收获季。比亚迪在电动汽车的核心部件电池、电机、电控等领域都有完善的布局,产品类型涵盖插电式混合动力乘用车(秦,唐等),纯电动乘用车(E6),纯电动商用车(K9),以及其他一些细分车型。市场推广方面,不但在中国市场成为领头羊(市场占有率超30%),在欧洲,北美和南美市场也屡有斩获,成功跻身于全球新能源汽车领域的“大玩家俱乐部”。其畅销车型“秦”的销量,在2014年全球新能源汽车市场排名第7,预计今年的排名还将升高(2015年4月份全球排名第3),让我们看到了一丝“弯道超车”的希望。

在2014年发力的基础上,预计今年中国市场的电动汽车销量会超过15万辆,虽然离中央政府规划的销量20万辆,存量50万辆的目标尚有一些距离,但目标已经不再遥不可及。相信在“十三五”期间,通过全社会的共同努力,达成《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020)》中规划的2020年目标,并不是不可能。

[page]

二、 脆弱的环境承载力

电动汽车的推广,环保是当之无愧的主旋律,它承载着我们对创造美好生活家园的希望。随着发电端可再生能源占比不断提高,能源消费终端电动汽车占比不断提高,整个社会对石化能源的依赖就会逐步下降,我们也会朝着全球碳排放目标更进一步。

在降低碳排放的同时,我们的电动汽车是否就像宣传的那样,对环境不会产生任何严重影响?或者说,我们要怎么样做,才能在降低大气污染的同时,不带来其他严重的环境问题?

我们先看看传统的干电池和铅酸电池,如果回收和处理不当对环境所造成的巨大危害。以下关于电池污染方面的信息,基本都来自百度,非本人原创。

我们日常所用的普通干电池,主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类,它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等各种金属物质,废旧电池被遗弃后,电池的外壳会慢慢腐蚀,其中的重金属物质会逐渐渗入水体和土壤,造成污染。重金属污染的最大特点是它在自然界是不能降解,只能通过净化作用,将污染消除,同时也由于重金属容易在生物体内积蓄,从而随时间的推移达到一定量之后,产生致畸或致癌变的结果,最终导致生物体死亡。一粒纽扣干电池可污染60万升水,等于一个人一生的饮水量。一节电池烂在地里,能够使一平方米的土地失去利用价值。

在铅酸蓄电池的组成中,属于有毒有害和腐蚀性物质占据了较大的部分。其中,电解液硫酸占到电池总重量的16%左右,含铅物质的重量占70%以上。铅酸蓄电池在生产和回收过程中产生大量的铅烟、铅尘及含铅废水等污染物,对环境造成较大的污染,同时对人们的生产生活也造成较大的危害。如果回收处理不当,电池腐蚀后溢出的含铅重金属和酸性物质不但严重污染土壤和水源,对空气环境、生态平衡也会造成破坏,还会引发人体代谢、生殖及神经等方面的疾病,铅中毒在我国属于比较常见的环境污染现象。

我国一年生产,消费多少干电池和铅酸电池?以2014年的数据为例,碱锰和碱锌这两大类干电池产量总和即达到322亿只,相当于中国人在2013年大约人均消费22只干电池。铅酸蓄电池在2013的总产量达到了204GWh,约相当于人均消耗145Wh。

那么我们回收了多少干电池和铅酸电池呢?据中国电池工业协会的估计,干电池正规回收比例不足2%,其他的基本都被混入生活垃圾进行处理。铅酸电池正规回收比例不足40%,其他都流向了各类黑作坊,或直接被当作工业/生活垃圾处理掉。

一年多达上百亿只各类化学电池未得到正确的回收和处理,而是被当作垃圾进行丢弃、焚烧、填埋,成千上万吨有害的重金属,如铅、汞、镉、锌、镍、锰等,以及各类化合物和酸性物质,进入空气、土壤、河流以及地下水,变成巨大的难以根除的污染源,包围着我们生存的每一寸空间,将造成持续上百年的污染。

再来看看电动汽车动力系统所采用的锂离子电池,目前,全球电动汽车市场(不包含燃料电池汽车),其动力电池类型主要有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰三元等,这些电池在退役后,是否会成为潜在的“污染源”?

锂离子电池中不含汞、镉、铅等毒害大的重金属元素,但锂离子电池的正负极材料、电解质溶液等物质对环境和人体健康还是有很大影响。因此,如将废旧锂离子电池采取普通的垃圾处理方法(包括填埋、焚烧、堆肥等),其中的钴、镍、锂、锰等金属以及无机、有机化合物必将对大气、水、土壤造成严重的污染,具有极大的危害性。废旧锂离子电池中的物质如果进入环境中可造成重金属镍、钴污染(包括砷),氟污染,有机物污染,粉尘和酸碱污染。废旧锂离子电池的电解质及其转化产物,如LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、HF、P2O5等,溶剂及其分解和水解产物,如DME、甲醇、甲酸等,都是有毒有害物质,可造成人身伤害,甚至死亡。

以我国电动汽车的发展速度,如果到2020年时,电动车市场存量超过500万辆,以一辆车平均配备20kWh的电池来估算,约有1亿kWh(1000 GWh)的锂离子电池进入汽车市场。如果回收处理不当,所造成的环境危害,恐怕是数倍于干电池和铅酸电池。

因此,如何应对电动汽车后市场,合理的回收和利用汽车退役下来的动力电池,不是等电动汽车市场发展起来之后才去考虑和规划的,而是应该在当前,进行技术、市场、产业、政策、环保等各方面的研究和实践,完善电动汽车市场的相关配套措施。

我们绝不能走先发展、后污染、再治理的老路,不要让电动汽车这一被寄予厚望的“环保”之花,结出腐烂恶臭的果实。

[page]

三、 汽车领域动力电池规模

2012年之前,电动汽车的市场规模较小,更多的是在进行示范工程推广,以此带动产业的发展。2012~2014年,是市场规模快速增长的时期,经过前期的政策推动和产业积累,市场呈现迅猛发展的态势,表现为车型多样化(各大车企都推出了自己的代表产品),商业模式多样化(出租运营、分时租赁、微公交等),参与主体多样化(传统车企、新能源车企、互联企业、其他类型企业等)。

进入汽车市场的动力电池,与电动汽车发展态势相同,也在最近几年呈现出加速度发展的趋势。市场的强劲需求,带动了国内原材料企业、电芯企业、电池pack企业的快速发展和产业扩张,也吸引了国外的行业龙头,如三星SDI,LG化学在中国建厂,更好的服务中国市场。

2014年中国锂电行业相关数据(来源于高工锂电)

从市场集中度看,2014年中国动力电池产值前10企业占据总产值比例达到77%,市场份额集中在少数企业中。中国动力电池企业数量接近100家,而真正进入整车供应体系的企业数量不超过20家,市场两极分化较为突出。由于2014年以来电动汽车市场出现井喷发展态势,国内一线动力电池企业产能紧张,市场供应出现不足,给国外企业(三星SDI,LG化学)和国内二线企业进入整车供应体系提供了更多的机遇。

在技术和产品发展路径上,各家动力电池企业也有所不同。2014年之前,得益于在安全性方面的良好表现,磷酸铁锂电池是主流。随着全球各国政府和企业,对电动车动力电池能量密度的要求逐步提高,镍钴锰三元材料电池将在未来5~10年成为市场供应主体。此前,比亚迪主要在大容量的磷酸铁锂电池方面发力,在e6,秦,K9等车型上面进行了大量的推广应用。从去年开始,比亚迪另辟蹊径,研究磷酸铁锰锂电芯,应用到新一代的e6,秦和唐等车型上面。CATL则在大容量的磷酸铁锂电芯和三元材料电芯两方面发力,坚持自己的技术创新方向和市场领域,在国内商用车和国外乘用车市场收获颇丰。力神,万向等企业紧跟国外主流产品,在小容量的圆柱形三元材料电芯市场取得不错的成绩,与江淮、上汽、奇瑞、吉利、众泰等本土企业展开紧密合作。其他一些动力电池企业,如中航锂电、国轩、比克、沃特玛等,也都有自己的技术或产品相对“优势”领域。

我们根据历年媒体所公布的电动汽车销量数据和各批次《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中相关的车型数据,进行整理、比对和分析,粗略统计出我国2009~2014年各年度的电动汽车动力电池总量,相关数据如下:

以我国前几年的动力电池技术及系统集成技术水平,这些进入市场的动力电池,一般在3~5年左右即将达到设计的寿命终止条件(容量衰减到初始容量的80%),部分一致性不好或使用工况较恶劣的,甚至达不到3年的使用寿命。以此推算,我国将在2017年左右,迎来动力电池退役的GWh时代,此后逐年快速递增,预计到2019年,最晚不会超过2020年,会有超过10GWh的退役动力电池规模。

面对如此规模的动力电池后市场,只有尽早进行产业化的研究和积累,才能在巨浪到来时,乘风破浪游刃有余。

[page]

四、 梯次利用全球示范工程和项目

国务院在《节能与新能源汽车产业发展规划》中明确规定:“(五)加强动力电池梯级利用和回收管理。制定动力电池回收利用管理办法,建立动力电池梯级利用和回收管理体系,明确各相关方的、权利和义务。引导动力电池生产企业加强对废旧电池的回收利用,鼓励发展专业化的电池回收利用企业。严格设定动力电池回收利用企业的准入条件,明确动力电池收集、存储、运输、处理、再生利用及最终处置等各环节的技术标准和管理要求。加强监管,督促相关企业提高技术水平,严格落实各项环保规定,严防重金属污染。”

国家层面针对梯次利用的相关扶持政策、行业规范和标准,也在积极制定当中。

全球各国都在积极开展动力电池梯次利用方面的实验研究和工程应用,其中日本、美国和德国等国家走的比较早,并且已经有一些成功应用的工程和商业项目。我国从近几年才开始开展相关的理论研究和示范工程,步伐相对慢一些,成规模的商业化运作还未真正开始。下表给出了全球一些梯次利用的典型案例:

国家

应用领域

案例描述

参与主体

性质

日本

家庭和商业储能

日产汽车和住友集团合资成立了4R Energy 公司,从事电动汽车废弃电池的再利用,在日本和美国销售或租赁的日产Leaf 汽车的二手电池用于住宅和商用的储能设备

4R Energy公司

商业运作

美国

移动电源

美国创业公司FreeWire推出了一款电动汽车充电宝产品,充电对象是所有的电动汽车,这款产品名为Mobi Charger,装有滚轮方便移动,主要面向写字楼等工作区域。

FreeWire公司

美国/日本

家庭储能

美国EnerDel公司和日本伊藤忠商事在部分新建公寓中推广梯次利用电池。

美国EnerDel公司,日本伊藤忠商事

中国

商业储能

100KWh梯次利用电池储能系统的工程示范,历时2年,由中国电科院、国北京市电力公司与北京交通大学共同完成,于2014年6月19日通过验收。

中国电科院、国北京市电力公司与北京交通大学

示范工程

德国

电储能

2010年TUV南德意志集团受到Germany Federal Institute for

Building的委托,参与电动汽车电池阶梯利用的研究项目,并在德国柏林建立储能应用示范工程。该项目得到德国能源与气候研究机构的资金支持。

TUV南德

德国

电储能

博世集团利用宝马的ActiveE 和i3纯电动汽车退役的电池建造2MW/2MWh的大型光伏电站储能系统。该储能系统由瓦滕福公司负责运行和维护。该项目将建在德国柏林,预期将于2015年年末投入使用。

博世集团

BMW

瓦腾福公司

中国

低速电动车/电储能

利用退役的动力电池,在电动场地车、电动叉车和电力变电站直流系统上进行改装示范,经实测回收电池性能上相比传统铅酸电池有一定优势,且经济性较好。

国北京市电力公司、北京工业大学和北京普莱德新能源电池科技有限公司

中国

电储能

河南省于2014年8月建成退役动力电池储能示范工程,该工程位于郑州市尖山真型输电线路试验基地,是国内首个真正意义上的基于退役动力电池的混合微电系统。

国河南电力公司、南瑞集团等

美国

综合

2002年,美国国家能源部首次立项委托Sandia国家实验室开展车用淘汰电池的二次利用研究,该项目主要针对电池梯次利用的领域、过程及步骤、经济性、示范规模进行初步研究

美国Sandia国家实验室

项目研究

美国

分布式发电

2010年,美国可再生能源国家实验室(National Renewable Energy Laboratory)开始进行插电式混合动力汽车及纯电动汽车用锂离子电池二次利用的研究,提出淘汰电池可以用在风力发电、光伏电池、边远地区独立电源等。

美国可再生能源国家实验室

美国/瑞典

智能电

美国通用公司与瑞典ABB 集团联合开展了车载锂电池(针对2010 年底量产的插电式混合动力车Volt)再利用的调查与研究,包括智能电方面,如用来存储太阳电池系统和风力发电系统等所产生的电力。

美国通用、瑞典ABB

美国

经济效益

1 加州大学戴维斯分校的混合电动汽车研究中心在2010年对动力锂电池的二次利用和价值分析等方面进行了研究。

2 西北太平洋国家实验室的Viswanathan 和Kintner-Meyer 研究了动力电池在电系统中二次利用的经济效益问题。

加州大学、西北太平洋国家实验室

美国

技术/商业可行性

Duke能源和Tokyo-based ITOCHU公司签署一项合作进行的评价和测试的二次利用的电动汽车电池的协议。将这些旧电池利用于补充的家庭能源供应、存储可再生能源。确定这些二次利用的电池在技术上的可行性和商业可行性。

Duke能源

ITOCHU公司

从我们收集的梯次利用案例来看,在理论研究和示范工程方面较多,在商业化推广方面,还处在初期的探索阶段。

针对梯次利用的商业利益分析和技术可行性分析,已经持续进行了十年以上,相关的研究文章和分析报告也为数不少,已经为产业化的发展积累了一定的理论基础。

在示范工程方面,大多集中于分布式发电、电储能和充电站等,多为中大规模的电池系统,比较适合课题性的研究和成果的展示,在应用方面的探索,还需要更多样化。

在商业应用方面,家庭储能、商业储能、移动电源、应急电源等小型灵活的设备,应该可以尽快的打开市场梯次利用的市场,为企业的发展赢得先机。在本系列文章的第(四)部分,还有针对商业应用领域的进一步分析。

总体来看,梯次利用虽然已经引起政府部门、科研机构、部分企业的关注和研究,但还没有引起大量的资源投入,属于“蓝海”市场。随着退役动力电池总量的爆发,这一领域所潜藏的巨大商业机遇,必将引起众多企业的积极参与和激烈竞争。新的产品、新的技术、新的商业模式,在未来都会层出不穷。

一、 梯次利用的难点与挑战

针对退役的动力电池,有两种可行的处理方法,一种是直接作为工业废品,进行报废和拆解,提炼其中的原材料,实现原材料的循环利用,这方面已经有一些国内的企业进行商业化运作;另一种方式,则考虑退役的动力电池,虽然已经不满足汽车的使用条件,但仍然拥有一定的余能,其寿命并未完全终止,可以用在其他领域作为电能的载体使用,从而充分发挥其剩余价值。

相对而言,梯次利用更能够发挥产品的最大价值,实现循环经济的利益最大化,是更为绿色和环保的做法。但梯次利用所面临的难题和挑战也非常的多,如果不能有效解决,就不能实现真正的产业化。

1. 电池拆解

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,工艺技术各不相同,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。

2. 剩余寿命预测

这里分两种情况考虑,一种是动力电池在服役期间,其相关运行数据有完整记录,那么当梯次利用的厂家拿到这些数据之后,结合电池的出厂数据

退役动力电池有救了电动汽车动力电池的梯次

,可以建立电池模组的简单寿命模型,能够大致估算出,在特定运行条件下电池模组的剩余寿命(根据所设定的终止条件)。

另一种情况就恶劣的多了,动力电池的使用情况并无数据记录,仅有出厂时的原始数据(如标称容量、电压、额定循环寿命等),使用过程未知,当前状态未知。当梯次利用的厂家拿到电池后,如何判断其健康状态和剩余寿命呢?这就需要对每个模组进行测试,先明确其当前的健康状态,然后要根据测试数据和出厂时的原始数据,建立一个对应关系,根据不同的材料体系,大致估算其潜藏的剩余价值。

第二种情况,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。所以,如何做到快速无损的检测,是该种情况下梯次利用的关键所在。

[page]

3. 系统集成技术

梯次利用,最合理的应该是拆解到模组级,而不是电芯级,因为电芯之间的连接通常都是激光焊接或其他刚性连接工艺,要做到无损拆解,难度极大,考虑成本和收益,得不偿失。

不同批次的电池模组,甚至来自不同厂家的电池模组,如何在同一系统中混用?这里面有几个系统集成技术必须着重考虑并解决:

1) 分组技术

需要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。

2) 成组技术

什么类型的电池模组可以成组为系统,这需要结合产品定位和目标市场(高端?中端?低端?),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

这里有两个方面需要考虑: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。

4. 电池管理系统的鲁棒性

(锂)电池管理系统的设计,一直是个世界级的难题,直到目前为止,也没有哪个公司在这个领域做到相当的成熟,最多实现了产业化而已。针对电池组的优化管理,尚无非常有效的解决方案,因为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。国外在算法和理论研究方面走的比较早,在工程方面也有深厚积累,所以产业相对成熟。国内在BMS软硬件研发方面,起步较晚(最近几年的事情),理论研究不足,工程应用是小步快跑,整体资源投入不足,各家企业都还没有非常稳定可靠的解决方案。

在梯次利用领域,BMS所要面对的情况,比汽车领域更为复杂。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,如何进行有效的管理,确保他们在今后的岁月中健康工作,安度晚年?

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。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、报警和各类服务。软件的升级可进行,并可远程升级。

5. 成本控制

毫无疑问,成本是梯次利用的最大优势,也是梯次利用经济效益的来源。那么如何做到良好的成本控制,将系统成本做到新电池产品的三分之一,甚至五分之一,将直接决定梯次利用是否能够发展成为一个庞大的产业。

在原材料环节,如何以较低的成本拿到电池pack,如何降低pack和模组拆解的难度,如何针对不同pack复用流水线和工艺,如何简化测试,如何建立电池模型等,都会影响后续的产品成本。

在产品开发环节,如上面所讲,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,如何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。

6. 产业链整合

动力电池的梯次利用产业链,涉及到用户(车主或商业运营单位)、车企、动力电池企业、梯次利用企业,如何创造一个共生共赢的产业链生态圈,是必须要考虑的。

如果仅仅是后端的梯次利用企业获利,那么用户、车企、以及动力电池企业,就没有足够的动力去参与和推动动力电池的梯次利用,产业规模就难以起来。

这既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,尝试成立电动汽车后市场的产业联盟,大家一起来参与,才能推动产业健康发展。

7. 商业模式创新

对于动力电池的梯次利用衍生产品,客户在知情的情况下,会对产品的性能、寿命、可靠性、安全性等心存疑虑,产品的推广会存在一定的阻碍。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。

二、 可靠性与安全性难题

1. 电芯的容量和内阻离散性

即使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。

这种老化速度的离散性变化趋势,严重时会使得产品的性能和寿命远低于预期,增加产品的售后风险。那么在技术研究上面,除了上述已经谈到了的分组和成组技术,还需要结合BMS的智能化管理和电力电子的功率变换技术,通过BMS在运行过程中去“感知”这种变化趋势,并找出系统的短板,再通过电力电子技术去平衡或弥补“缺陷”,一定程度而言,可以延缓这种加速老化的趋势,延长使用寿命。

2. 潜在的安全隐患

针对拆借后的电池模组,仅通过目视检查,是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。

在新产品运行过程中,BMS仍然承担着电池“家庭医生”的角色,必须时刻对安全状态进行监控,排查隐患,及时采取措施。在梯次利用市场,BMS的安全检测功能显得尤为重要,如同人到中年,身体自然不如年轻人那么健康,及时体检,能够发现大多数疾病的前兆。

三、 梯次利用的市场和商业前景

电动汽车动力电池的梯次利用,必须找到适合的市场,并能够产生良好的经济效益,这样才能推动产业化的发展,实现真正的变废为宝,最大限度的挖掘剩余价值。

这个市场,不能是远期的市场,而应该是当前存在的市场,且退役的动力电池在该市场中具备一定的产品竞争优势,使得该市场中的相关企业有足够的利益驱动,采用梯次利用的动力电池组作为部件。

经过初步的分析,我们找到了动力电池梯次利用的3个潜在市场,这些市场既有足够大的规模,也与电池产业息息相关(其主要部件就是电池组),动力电池的梯次利用技术可以与这些市场实现无缝对接,快速实现产业化。

[page]

1. 电动自行车市场

经过20年的高速发展,中国电动自行车的市场保有量已经超过2亿,是私家车200%,摩托车的160%,已成为我国民众使用最多的交通工具。现在以及未来很长时间,电动自行车仍然是解决城市农民工、三四线城市居民、以及我国广大农村地区人口交通问题的主要载体。这么一个庞大的产业,其上下游产业链的年总产值超过2000亿,是当之无愧的民生产业。它所带动的就业、工业产值、GDP贡献、税收贡献等,都是我们无法忽略的。当然,较低的行业门槛,快速增长的市场,也导致行业鱼龙混杂,水平参差不齐,市场恶性竞争加剧,再加上售后服务及回收处理不到位,带来了严重的环境污染问题。

2014年,中国大约生产了2900万辆电动自行车,较2013年下降了20%,是电动自行车市场第一次较大幅度的负增长。这一现象的背后,其实是中国电动自行车市场走到了行业巨变的路口。行业内的企业经过多年的价格竞争、渠道竞争、终端厮杀之后,虽然实现了部分企业的优胜劣汰,但整体上行业集中度不够(前十名的市场占有率有总和不及50%)、产品竞争力不突出、同质化严重、核心优势缺位、品牌价值不高、产品附加值低、增值服务缺失。

随着人均收入逐步提高,电动自行车市场日趋饱和,以及移动互联的日益普及等,消费者在购买电动自行车的时候,会更多的注重品牌、口碑、品质、外观、性能、智能化等因素,这与我国智能市场的发展如出一辙。预计接下来市场会有一轮比较惨烈的洗牌,那些注重用户体验,开发高性价比产品,产品品质突出,善于利用互联树立口碑并扩大影响的企业,将逐渐胜出,成为市场的领跑者甚至寡头。产品的发展方向,将是智能化(联)、高性能(长续航里程/高瞬时功率)、高品质、长寿命、以及良好的用户体验。

电池无疑是电动自行车的核心部件,当前市场,90%的车型采用铅酸电池,约有10%的车型采用锂电池。铅酸电池的突出优点是价格低,能将整车价格拉低到2000元左右,满足早期用户的需求(对价格敏感)。但铅酸电池作为动力来源,也有其固有的缺陷,如重量大、体积大、循环寿命短、容量衰减快、行驶里程短、充电慢等。锂电池与铅酸电池相比,在寿命、能量密度(行驶里程)、体积、重量、快速充放电等方面,具有明显的优势。近年来,随着成本的下降,锂电池在电动自行车领域的应用正呈现良好的增长势头。

正是看到了这种市场变革和颠覆的趋势,李一男带着牛电科技切入电动自行车市场,试图复制小米在市场的成功模式,以互联思维来造电动自行车,快速占领这个市场。毫无疑问,李一男抓住了一个快走到“风口”的行业,也深刻的理解用户的“痛点”,同时以“错维”优势来参与竞争,万事俱备只欠东风,就差一个让市场“尖叫”的产品。

牛电科技第一代产品小牛N1,采用的是松下18650锂离子电池(与特斯拉电动车的电池同型号),手提式可拆卸pack设计,整体重量仅为12kg,同样能量的铅酸电池一般要50kg的重量。170节2600mAh电池组合起来提供了1560Wh的电量,续航里程因而达到了惊人的100km。但是价格嘛,也是相当惊人的,4999元(100公里版)。

小牛N1相对于市场上已有的产品,显然高了不止一个档次,虽然不是颠覆性的,但确实有傲视群雄的资本。可是电动自行车面向的用户群,对价格仍然是比较敏感的,3999和4999元的价格比市场上的普通产品高出50%~100%,无疑也会大大限制产品的推广和普及。消费者是否愿意为了为小牛N1多掏1倍的钱,仍然是未知数。

那么换个角度考虑,如果采用梯次利用的动力电池呢?

以上数据,仅仅是行业均值的粗略对比,并不是具体厂家的精确数据。从上表可以看出,采用梯次利用的动力电池,可以在价格、行驶里程(能量密度)、和寿命之间达到一个较好的平衡,从而更快速的推动锂电池在电动自行车市场的应用。

以2014年的数据为基数,假如有10%的电动自行车采用梯次利用的动力电池组,以每辆车配1kWh的电池组计算,那么年总需求可以达到290万kWh(2.9GWh),与2014年我国电动汽车动力电池总量3.7GWh相去不远,相关梯次利用的市场规模可达数十亿元。

2. 微型电动车市场

这是一个野蛮生长的市场,也是目前监管空白的市场。电动汽车价格高高在上,并不是普通民众能够轻松承担得起的,电动自行车又不能挡风遮雨,驾驶和乘坐舒适性无从谈起,那么市场就需要一个这样的产品,来衔接“低端”的电动自行车和“高端”的电动汽车,这就是微型电动车快速发展的基础。

微型电动车与电动汽车具有相似的车身构造和技术特征,因此在产业链的大多数环节都是可以共用的。微型电动车价格较低,与广大基层民众收入水平、消费升级趋势、全国道路基础设施完善相契合,因此微型电动车在我国三四线城市及农村地区大受欢迎。2014年,仅山东地区,微型电动车的产量即超过18万辆,全国市场接近30万辆。但微型电动车市场鱼龙混杂、相关企业缺乏资质、产品质量低劣、使用重污染的铅酸电池等问题,仍然限制了微型电动车的发展。目前市场上的微型电动车,大多售价在5万左右,车速在40~60公里/小时,续航里程低于100公里,甚至低于80公里,电池容量衰减很快,安全隐患突出。

在2015年之前,国家发改委、工信部等主管部门虽没有明令禁止发展微型电动汽车,但是微型电动车不能进入《车辆生产企业及产品公告》,不能上汽车牌照,所以在官方层面仍然属于受限制行业。可喜的是,从去年以来,地方政府和中央政府已经充分认识到微型电动车的强大市场需求以及行业发展的不健康状态,正逐步通过国家层面的法律法规和行业标准,以及地方的产业引导政策,将微型电动车纳入监管体系,给予其“合法”的身份,促进行业规范有序的发展。

微型电动车的发展,在未来2年将呈现两条可能的路径:

1. 车辆达到双100要求(时速100公里,续航里程100公里),按照《新建纯电动乘用车生产企业投资项目和生产准入管理的暂行规定(征求意见稿)》,纳入纯电动乘用车体系

2. 达不到双100公里要求的,按照新修订的国标GB/T 15089《机动车辆及挂车草案》,将作为L6和L7类型的纯电动“四轮摩托车”来监管

如果微型电动车达到了双100公里要求,且其生产企业具备《规定》所要求的生产资质,该车型将获得电动乘用车国家补贴和地方补贴。对于企业而言,不但意味着“合法”的身份,也意味着销量和利润的大幅度提升,将推动企业获得更大的发展空间。

2016年,新的纯电动及插电式混合动力乘用车的国家补贴标准如下:

从上表可以看出,如果续航里程达到100公里,不考虑地方补贴(地方补贴额度不一),那么一辆纯电动乘用车可以拿到2.5万元的补贴金额。如果续航里程达到150公里,补贴金额则高达4.5万元。

采用铅酸电池的微型电动车企业,很难达到此要求(性能和轻量化难以兼顾),也意味着很难拿到国家和地方补贴。而如果要采用锂电池包,如果要达到100公里续航里程,通常需要10kWh的容量,目前的市场价格超过3万元,加上电机的升级,以及其他一些成本,很可能没有多少利润。

如果采用梯次利用的动力电池呢?成本不到新锂电池系统的一半,而续航里程,放电功率等都可以满足双100公里的要求,甚至可以达到150公里续航里程的要求。在保持低价的基础上(扣除补贴后,价格低于5万),产品性能得到较大提升(达到纯电动乘用车标准),产品的竞争优势明显(性价比高)。

基于以上分析,采用梯次利用的动力电池,可以帮助微型电动车企业进行产业升级,达到纯电动乘用车的相关标准,获得国家及地方财政补贴,拓展企业的发展空间。

[page]

3. 电能存储(储能)市场

毫无疑问,这是一个超级大的市场,也是未来能源互联的支柱和基石,没有有效的储能手段,能源互联就是空谈。经过多年的政策推动、市场驱动、技术发展、以及成本下降,储能市场即将渡过黎明前的黑暗,迎来希望的曙光。

Tesla发布Powerwall和Powerpack之后,一个月获得的订单超过8亿美金,充分说明了市场的强劲需求,以及公众对低成本长寿命储能产品的期待,紧随其后,戴姆勒·奔驰公司也在德国发布了类似的产品,并宣布将在夏季或秋季的时候向市场供货。整个储能行业即将在未来几年走向“风口”,获得快速的发展。

据CNESA项目库不完全统计,截至2014年底,全球应用在电力系统的储能项目(不含抽水蓄能、压缩空气储能及储热)累计装机规模为845.3MW,2014年新增装机111.6MW,年增长率为15%。其中,中国储能累计装机规模达84.4MW,占全球储能装机的10%。

从地域分布上看,无论在项目数量还是装机规模上,美国均占据最大比重。截至2014年底,美国已投运储能项目95个,装机规模超过357MW。日本在装机规模上位居第二,接近310MW,中国在项目数量上紧随美国之后,有63个项目。2014年,美国的新增装机规模最大,为34.4MW,中国和欧洲分列二、三位,装机规模分别为31MW和27.7MW。

从技术分布上看,钠硫电池的装机比重最大,为40%,其次是锂离子电池和铅蓄电池,分别占33%和11%。2014年,储能技术新增装机中,锂离子电池的占比最大,为71%,其次是飞轮,占20%。

从应用分布上看,储能项目主要集中在可再生能源并、辅助服务、电力输配和分布式微等领域。其中,可再生能源并领域的占比最大,为45%,装机规模为379MW。2014年,应用领域新增装机中,用户侧领域占比最大,为43%,其次是辅助服务和电力输配领域,分别为28%和19%。

未来储能产品的发展趋势,应该紧跟市场热点需求,从解决用户的实际问题出发,着重从以下几个方面考虑:

1. 配合分布式发电(风能/太阳能等),推广分布式储能系统,解决分布式发电随机性波动所面临的一些列并难题和调度难题

2. 主干及微系统的供电稳定性问题,调频调压问题,缓解输配电扩容压力等

3. 用户侧能源管理,移峰填谷,改变用户的用电曲线,降低用户的电费成本,这一点对大型高能耗的工业用户(电解铝/电解铜/矿产/有色金属深加工等)尤为重要

4. 配合家庭光伏发电,推广家用储能系统,提高自发自用率,在欧美澳等地区,有非常广阔的市场需求

5. 移动电源,后备电源,应急电源等

事实上,采用新锂电池组做储能系统,通常单位成本会高达2000~3000元/kWh,投资回报率偏低,这也是制约储能产品大规模应用的最大障碍。如果采用他梯次利用的动力电池,其规模化成本远低于新电池,以美国初创公司FreeWire为例,该公司利用日产leaf的退役动力电池做移动充电车,其相关产品的每度电成本只有 100 美元,折合人民币600元/kWh。该公司CEO阿卡迪?索西诺夫(Arcady Sosinov)表示,电池产业界要到 2030 年才能达到的成本目标,他们用二手电池压低成本,现在就已经做到。

Tesla在美国发布Powerwall和Powerpack之后,引起市场的狂热追捧,价格是一个很重要的因素。可是,经过众多专家的对比分析,我们知道,Tesla是以低于成本的价格来销售储能产品的。我们分析一下Elon Musk的动机,有深刻的理由相信,未来Tesla也会将Model S等电动车的退役动力电池,应用于家庭储能和商业储能。到那时候,储能产品的利润和经济价值,才会实现最大化。

根据中国政府的规划,到2020年时,全国风力发电装机容量达到200GW,光伏发电装机容量达到100GW。可再生能源发电配备储能系统,已经成为一种刚性需求,一般的配比为5%~20%。以此推算,到2020年时,我国仅可再生能源发电市场,就需要15GW以上的储能系统,以2~4倍的容量/功率比计算,需要30GWh以上的储能电池规模。

短期来看,梯次利用的动力电池,在家庭储能、分布式发电、微、移动电源、后备电源、应急电源等中小型的储能设备应用领域,会有良好的发展潜力。长期来看,如果一些技术难点得以解决,在大型和超大型的商业储能和电级储能市场,梯次利用也会有广阔的前景。

实际上,储能产品的经济效益测试和商业模式探索,是非常复杂的事情,并不是通过以上简单的分析就能搞清楚的。但有一点比较明确,采用梯次利用的动力电池,其成本远低于新的锂电池组,可以大大降低储能系统的成本,消除储能产品大规模应用的最大障碍,带来更为明显的经济效益和社会效益。

八、 总结

对于电动汽车动力电池的梯次利用,国外走的相对快一些,美国、德国和日本已经有不少示范应用的项目,他们在积极探索技术、成本、商业模式等方面的问题和难点,为后续大规模的产业化做储备。

我国还更多的停留在“研究”阶段,学校、科研院所等有组织过理论研究和实验研究,但配套资金不足,力量分散,进展缓慢,而且鲜有企业在这方面投入资源进行产业化的探索和积累。以我国电动汽车行业的发展速度和规模,未来两三年,即会迎来动力电池退役的高峰,多达GWh规模的动力电池,将退出汽车市场,并且退役电池总量每年都会呈加速度增长。如何最大限度的利用这些电池的剩余价值,不单单是环保问题,也是在考验我国电动汽车后市场的经济效益和循环效益。

在电动汽车等新型产业领域,我们必须改变过去粗放式的发展模式,不能单纯的追求规模化效益,而是应该建立一个更加高效、更加精细的经济模型,真正实现可持续发展的目标。

诚然,我们还面临诸多的技术难题,以及在商业模式创新和产业链布局方面的挑战,但可获得的预期收益,也是相当可观的。当别人都在困难面前踌躇、犹豫、甚至退缩时,那些敢于迎难而上、锐意进取的企业和团队,才能在这个目前还不太受人关注,却潜藏巨大经济效益的领域,收获累累的果实。

本文相关的其他文章