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电池模组灵活成组是退役电池梯次利用的关键

新能源汽车已经进入高速增长期。作为新能源汽车的核心部件,当动力电池只能充满原有电量80%的时候,就不适合继续在电动汽车上使用,面临着退役。经过近几年的使用,首批规模上市的新能源汽车中的动力电池已经面临退役期,而且即将数量井喷。据中国汽车技术研究中心预测,到2020年前后,我国纯电动(含插电式)乘用车和混合动力乘用车动力电池累计报废量将达到12-17万吨。如果将这些退役电池直接用于废物回收,存在几十吉瓦时电量的浪费。正如中国工程院杨裕生院士所说,“这些报废动力电池制造工艺先进,即使报废以后仍然保持安全性和电性能,有必要采用梯次利用方式实现废旧动力电池资源利用最大化”。



图1:电池退役还是回收?


从《电池中国》获悉,目前国内已有企业在动力锂电池的梯次利用和回收方面展开布局。例如,邦普集团提出“动力锂电池与车身整车回收”的模式,开展动力电池回收处理、梯次储能利用等;赣州豪鹏与北汽新能源在动力电池回收方面开展合作;格林美牵手电池企业,建设“材料再造-电池再造-整车制造-电池回收”循环链等等。虽然“先梯次利用,再拆解”是各企业形成的共识。但是如何管理千差万别的退役电池却是阻碍各企业推广梯次利用商业模式的技术门槛。

一、低成本的拆解是决定梯次利用经济可行性的主要因素

通常,电动汽车的动力电池系统包括单体电芯、电池模组、电池包这3个层级。首先需要将若干个单体电芯通过焊接方式固定串并联构成电池模组,然后再将若干个电池模组通过导体连接固定串并联构成动力电池包。虽然不同厂家对电池模组的定义不同,即容量和电压等级不同,但是,可以将电池模组理解为构成电池组件的、物理上容易拆分(即只拆除连接导线,不需要拆除焊接)基本单元。



图2:特斯拉的电池构成


影响退役动力电池梯次利用经济性的首要因素是对电池组件(电池包)的拆解程度。根据现有生产实践,如果将退役动力电池中已经焊接成整体的电池组一一拆解到单个电芯,然后进行筛选、匹配和再次重组,由于工艺复杂,造成回收成本接近于购买新电池,决定了这条梯次利用技术路线并不经济。只有在简单的拆除连接导体后,面对电池模组甚至直接面对电池包(不用拆解)进行梯次利用,才是退役动力电池梯次利用的合理途径。

二、具备高兼容性能的电池模组灵活成组技术

在动力电池的成组使用中,需要解决由于电池模组的不一致性带来的差异化管理问题。在电池的使用过程中,电池的一致性随时间是不断劣化的,与许多因素有关,包括:生产的一致性、使用环境、充放电强度、瞬间放电等。尤其对于退役电池,因为材料、工艺、运输工况的差异,往往会导致成组电池间的压差增大、单组电池发热严重等问题,需要进行柔性连接,通过均衡控制保护手段,来保证整个电池组的正常运行。



图3:电池成组的木桶效应


面对成百上千电池模组/包的不一致性,基于电力电子的柔性成组连接技术,是退役动力电池梯次利用的关键技术。退役动力电池梯次利用的主要场景是建设储能系统。储能系统通常包括电池组件、变流器、EMS三大部分。

1、固定串并联的成组方式

对电池模组/包进行固定串联,然后利用电力电子变换流器进行充放电管理,是现有的技术方案。


图4:方案一:多组DC/AC变流器并联



图5:方案二:两级多DC/DC模块并联


图4中,采用多组DC/AC变流器并联的方案,对电池模组进行分区分类管理。图5中,采用两级多DC/DC模块并联的方案,对电池模组进行分区分类管理。由于现有DC/DC模块或DC/AC变流器直流侧电压工作范围在400~800V,因此,需要通过电池模组/包的固定串联来抬升电压到正常工作范围。
从技术原理而言,也有例如储能电池测试用的能量回馈变流器的从DC48V直接转换为AC380的方案,该方案需要较高的转换效率和功率等级,以满足储能工程对系统效率及工程可靠性的要求。
2、变流器与电池拓扑融合方式

为了兼顾效率和多个电池分别接入,也有采用链式结构的变流器,如图6所示:



图6:方案三:链式结构


图6所示的方案三中,一套变流器由3个单相变流链构成,每个单相变流链由多个标准DC/AC变流模块链接构成。电压的提升是通过交流侧相加实现,因此,每个模块的直流侧电压可以选择在较低水平,例如48V。由于采用级联的拓扑结构,因此并网运行状态下,储能装置对电网产生的谐波污染很小,还能够实现对电池包的均衡控制,可以兼容不同类型的电池。但存在控制复杂的不足。


3、电池模组灵活成组方式



图7:方案四:电池柔性接入结构


方案四中,每个电池模组/包通过一一对应的柔性连接模块接入。柔性连接模块采用简单可靠的电力电子保护、均衡控制电路,能够实现对每个电池模组/包的充放电管理,具有多种保护功能,且可以与BMS通讯。通过电力电子开关控制电池模组/包可以在故障态下转换为旁路(退出充放电),或接入充放电回路,实现电池模组的灵活连接和状态切换。而且,还能够实现整机工作状态下更换电池模组。

三、退役电池梯次利用的技术链条

退役电池需要经过退役回收、拆解、筛选、再次成组、储能运维、报废、最终回收的环节。


梯次利用的经济性,取决于各个环节的合理分工,发挥整体效率,降低成本。简易的拆解、必要且快速的筛选、灵活成组、智能运维、合理的报废和最终回收都十分重要。

结束语:随着新能源汽车保有量的增长,动力电池的梯次利用和回收成为一个必须面对的问题。如何让退役动力电池发挥最大余热,创造最大价值?经济且可靠的技术路线才是符合梯次利用商业模式的必然选择。目前国内已有企业在退役动力电池的梯次利用和回收方面展开布局,运营模式也各有不同。在商业模式尚未成熟清晰的情况下,急需探索出梯次利用的技术路线。研究院期待与电池厂商、汽车厂商、储能装备、电网公司等各方共同努力,推进新能源汽车行业的发展。


作者简介


赵东元,电气工程,博士,清华大学能源互联网创新研究院副研究员。长期从事输配电节能技术、电能质量及电力电子技术领域的基础理论和工程技术研究。参与多个国家发改委及国家电网公司重大科技项目。现主要开展能源互联网下能源效率与品质、能量管理与运营、储能技术研究。联系邮箱:zhaodongyuan@tsinghua.edu.cn