动力电池梯次利用的难点与挑战

动力电池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，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。

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、报警和各类在线服务。软件的升级可在线进行，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。