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新能源商用车退役动力电池的梯次利用解决方案

作者:中国储能网新闻中心 来源:《汽车专家述评》 汽车专家咨询委 发布时间:2022-01-26 浏览:

中国储能网讯:梁涛,河南利威新能源科技有限公司董事长,(以下简称“利威新能源”),是宇通集团下属创业公司。梁涛董事长带领利威新能源致力于为客户提供优质的电池系统集成解决方案,全力打造一家集锂电池系统研发、生产、销售、回收及技术服务的优质新能源退役动力电池综合利用企业。《汽车专家述评》2021年12月刊以“新能源汽车动力电池回收助力‘碳中和’”为主题,邀请中汽咨询委委员和行业著名专家以及有实战经验的优秀企业专家进行撰稿,分为“顶层设计与政策导向”、“先进技术工艺”、“创新商业模式”三大板块,对动力电池回收利用产业发展进行全方位、多层次的研究和探讨。非常荣幸邀请到梁涛董事长为“创新商业模式”板块撰稿,分享利威新能源在退役商用车动力电池梯次利用解决方案,以期对行业的发展提供借鉴和思考。以下为全文内容:

新能源商用车退役动力电池的梯次利用解决方案

当前,随着新能源汽车的不断普及,动力电池退役也即将迎来一个高峰,如果不加以妥善处理,将会对社会环境、资源压力和公共安全造成极大影响。目前新能源汽车产业链相关方尚未形成完整的物质流和信息流,动力电池产业链前后端严重脱节,整车生产企业、电池生产企业与回收利用企业尚未建立起有效的合作机制。此外,动力电池退役涉及的主体较多,退役电池所有权问题多样化,缺乏相应有效的监督管理。

为此,立足产业实际,研究构建新能源汽车退役动力电池回收利用标准体系,通过各相关方合作,先梯次利用后再生利用的可循环利用方式,科学回收其中的稀有金属钴、镍、锂以及其他贵金属等资源,打造循环产业链,优化产业结构,实现资源多样化是发展趋势,也是行业使命。同时,开展电池回收、分选、存储、运输、梯次利用、无害化物理拆解、提纯冶炼等关键领域的共性标准研究与制订,推动行业领域标准化规范运营,正是现实之需并且意义重大。在国家倡导实现“双碳”目标及生态环保的背景下,宇通作为全球领先的公共出行解决方案商,大中型客车市场占有率全球领先,并于2018年正式组建了全资子公司河南利威新能源科技有限公司,开始了退役商用车电池的回收及综合利用的行业布局,在“助力绿色发展,承担社会责任,构建美好生活”的主旨下,积极参与退役动力电池回收及循环利用的行业发展。

一、新能源商用车动力电池批量退役迫在眉睫

自从国家大力推动新能源汽车的研发和产业化发展以来,以宇通为代表的商用车企业一直走在技术攻关和产业化示范的前列。自2012年,宇通客车承担国家863项目《关于高新技术研究发展计划的报告》以来,宇通新能源客车已经销售12万辆(纯电动)新能源汽车,形成了覆盖新能源客车关键技术的自主研发和产业化能力。当前,新能源汽车产品已经占到宇通客车的70%以上。

自2014年以来,客车电动化趋势加速明显。北京、上海、广州、深圳、天津、郑州等主要大中城市纷纷推动了公共交通电动化进程,截止2020年底,全国已有超过30个城市的公交电动化程度超过90%,累计推广新能源客车超53.52万辆。

按照新能源商用车服役60万公里计算,2014年开始大量推广的新能源汽车到2021年就年满6年,每年按照10万公里计算,已经到了报废阶段。可以预见,随着2015-2017年大量的新能源商用车投入,未来3年(2022-2024年)将有超过29.2万辆公交车面临退役。大量退役动力电池将面临如何进行无害化处置和资源有效回收的问题。

二、新能源商用车退役动力电池的解决方案

1. 新能源商用车退役动力电池的回收渠道及处置方式

(1)新能源商用车退役动力电池的权属

整车企业的商用车销售后,动力电池权属已进行转移,但前期签署的回收服务条款会约定整车企业优先获取或进行退役动力电池回收服务。根据“回收利用管理暂行办法”,要求主体责任为汽车整车企业,最终退役动力电池权属是由用户方及整车企业共同商议后通过一定方式转移到整车企业进行处置。

(2)新能源商用车退役电池回收渠道

商用车退役动力电池回收渠道主要通过回收服务网点进行。回收服务网点一般由售后服务网点、备品备件网点、自建或共建的全国回收服务网点等组成。

当前共建回收服务网点成为行业热点,与整车企业合作共建服务网点的主体有回收利用白名单企业、报废车辆拆解企业、大型物流运输公司以及部分车辆运营客户等。

(3)新能源商用车退役动力电池的处置

当前新能源商用车退役动力电池主要为方形磷酸铁锂电池,退役后绝大部分通过数据分析平台进行筛选、检测、研发重组后形成梯次利用产品,应用方向目前主要为:储能备电类、通信备电、应急储能、路灯备电、梯次储能系统等。部分产品直接进行报废回收,通过拆解、破碎和湿法冶炼,再生利用形成碳酸锂等产品,再次应用到新能源汽车产业链上。

2. 新能源商用车退役动力电池的梯次利用解决方案

(1)梯次利用产品的定义

所谓电池梯次利用,是指在发展电动汽车过程中,对动力电池生命周期以及可再使用性进行估测后,将电池系统从车上拆下来为一个个单体,并重组“再就业”,成为一个新的电池储能系统。梯次利用是一种对退役电池的合理二次利用方式,不仅能够节省大量的资源,还是一个拥有广阔前景的市场,近年来国内外相关企业都在布局动力电池梯次利用项目。

(2)梯次利用产品的场景

梯次利用重组电池产品目前主要应用在移动电源、中小规模储能、通讯基站储能、低速电动车、电动自行车及路灯照明等铅酸替代领域。当动力电池不能完全满足车用需求时,可以应用于其他场景,继续发挥其功能,做到资源利用的最大化。根据电池性能衰退程度,可将回收利用大体分为四个阶段,从第一阶段向下级延伸,直至完全不能满足各场景的使用要求后,进入第四阶段,即再生利用环节。第一阶段的电池可应用于对放电功率要求稍低的低速电动车、电动三轮车等移动、复杂工况场景;第二阶段的电池可应用于通信基站备电、户外移动电源、家庭储能、车载备电等对电池性能要求较低的应用场景;第三阶段的电池主要为低端储能场景,如路灯备电、楼宇备电等;第四阶段的电池将被再生利用,回收金属元素。前三个阶段的动力电池为梯次利用环节,能否提升梯次利用的经济性,是提升电池全生命周期价值的重中之重。

(3)梯次利用产品的核心技术

第一,快速余能检测评估与电池包拆解分选技术

快速安全的电池包拆解对于梯次利用企业来说是梯次利用的第一步,通过对回收电池包的拆解从而取得相应的电芯或模组进行重组利用,因此拆解效率影响到最终成本。梯次电池在可利用率、剩余容量、循环次数、产品规格、退役时间、退役批次等方面差异很大。如何建立动力电池全生命周期检测系统、无损预测电池寿命,是梯次利用的关键所在,在这方面多家企业已经研发出了余能快速检测设备,针对梯次回收的电芯及模组进行快速检测

第二,基于应用场景与环境要相适应的电池管理系统BMS技术

目前电池PACK的BMS是以部件的形式独立于电池安装的,以后的设计将会把BMS和电池模块集成在一起,构成具有电池信息的智能电池模组。这样的话,电动汽车退役下来的电池模组拆下来之后,内部的相关数据就变得可知了,不再需要对电池测试配组,也节省了重新组装的工作,只需根据电池模组的信息,直接往梯次产品上安装就可以。如此,从汽车电池PACK转变为储能电池组的梯次利用过程就变得非常容易,梯次利用的难点将得以真正解决。但目前由于各单位在接口及通讯协议上的不统一,因此回收的电池由于无法取得之前的运营参数,在梯次利用前需要进行BMS重新设计,利威新能源等企业已经在梯次利用BMS的主动均衡及被动均衡技术方面进行探索并取得了一定成果,并进行了产业化应用。

第三,梯次利用电池的溯源管理技术

按照新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法要求,梯次电池综合利用企业必须建立动力蓄电池溯源信息系统。以电池编码为信息载体,构建“新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台”,实现动力蓄电池来源可查、去向可追、节点可控、责任可究。如何确保退役动力电池产品在组装、使用、交易、售后以及报废回收过程中,能够既满足国家溯源管理要求,又能节约成本和高效运营,也是行业企业需要重视和不断优化的一项重要技术点。

第四,利威新能源在退役动力电池梯次利用上的实践和技术亮点

(1)铁塔基站上的应用

利威新能源在铁塔基站上应用了两款梯次产品。规格型号为51.2V200Ah和51.2V300Ah,产品具备电池安全管理系统,设计寿命6年。主要功能是,在基站主电源无法使用时,系统自动切换到基站备用电源。

(2)储能上的应用

利威新能源在储能上应用了两款梯次产品。大型储能产品规格型号为400kW/1.33MWh ,产品具备电池安全管理系统,设计寿命10年。主要功能是削峰填谷,根据市电在不同时间阶段的电价差赚取相应利润。家庭电源产品规格型号为28.8V50Ah,产品具备电池安全管理系统,设计寿命3年。主要功能是,家庭在停电或电力不足时,可以给小型家用电器供电。

(3)小动力上的应用

利威新能源在小动力上应用了一款梯次产品。产品规格型号为51.2V86Ah,产品具备电池安全管理系统,设计寿命5年。主要功能是,应用于小型低速车上,代替传统铅酸电池。

三、新能源商用车退役电池行业展望

当前新能源动力电池产业链的上下游企业仍然存在各自为战的现象,对共性领域的标准化问题研究未形成有效合力,梯次电池的使用场景缺乏有效管控:哪些场景下可以使用梯次电池,哪些场景禁止使用梯次电池没有相应要求;在梯次电池的应用中,如何应对其进行监控、出现事故后责任如何判断都是行业监管的空白地带。

梯次利用最为关键的问题就是检测认证分级分类环节,只有正确判断退役电芯或模组的工作状态,才能进行相匹配的梯次利用。动力电池在理论上可以回收梯次利用,但新动力电池的产品结构和生产工艺设计上,很多企业为提高电池组工作的可靠性,采用激光焊接工艺将电池串联起来,或者采用箱体灌胶方法。这样的连接结构造成动力电池梯次利用的难度,梯次利用企业采用旧电池拆解及重新组装成电池组的成本过大,阻碍了退役动力电池的梯次利用。

因此,针对退役动力电池的检验检测分级分类及梯次产品检测认证就显得尤为重要,目前针对退役动力电池分类分级检测及梯次产品监管认证处于空白状态。随着梯次利用产业快速发展,随着由梯次产品引发而不断增加的安全事故产生,随着梯次产品的安全监管要求延伸,退役动力电池分级分类检测及梯次产品安全监管相应的检测机构必须承担起检测监督、监管认证的责任,同时建议新能源上下游企业可以通过一定机制建立起信息共享、数据共用的机制,共同提高新能源全生命周期的利用效率。

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关键字:动力电池梯次利用

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