梯次利用電池在儲能電站中應用的可行性分析

于 童

（上海電力設計院有限公司，上海20025）

0 引言

當前，我國新能源和儲能技術(shù)發(fā)展迅猛，為減少機動車污染物排放量，大力推動電動汽車的發(fā)展，電動汽車數(shù)量快速增長。為保障電動汽車的續(xù)駛里程和安全運行，電動汽車電池退運的條件設定在低于80%的容量。據(jù)相關(guān)部門預測，到2020年底，動力電池退役數(shù)量將達到20萬t，2024年前后動力電池退役數(shù)量將達到34萬t，累計將達到116萬t[1-2]。

現(xiàn)階段儲能電池的技術(shù)性能顯示，退運電池中剩余80%的容量至少還可工作數(shù)年，仍具有一定的利用價值[3-5]。將退運電池應用到電力儲能，實現(xiàn)電池的梯次利用，可以最大化地利用資源，減少環(huán)境污染。目前，在退運電池的梯次利用上，國內(nèi)外學者多偏重于理論研究，工程應用方面的研究較少。如文獻[6]分析了梯次利用電池儲能系統(tǒng)建設和運維成本、延緩配電網(wǎng)升級改造收益、降低網(wǎng)損收益及移峰填谷等方面的經(jīng)濟價值；文獻[7]研究了基于退役動力梯次利用于光伏充電站的容量配置問題；文獻[8]對梯次利用電池儲能電站經(jīng)濟性評估方法進行了相關(guān)研究。基于此，本文對梯次利用電池在儲能電站中應用的可行性進行研究。

1 梯次利用電池的技術(shù)可行性分析

退運電池應用于儲能電站的可行性主要從2個方面來進行判斷，一是梯次利用電池是否能安全地利用；二是該電池的梯次利用是否具有經(jīng)濟價值。現(xiàn)階段的研究主要是，通過對退運電池的狀態(tài)診斷，評估其容量、內(nèi)阻等性能參數(shù)，預測其衰減趨勢；通過篩選重組減少一致性差異的影響；通過配置相應的保護措施，同時進行科學的充放電控制管理，實現(xiàn)退運電池的安全梯次利用。目前，國內(nèi)已開展多個梯次利用電池儲能電站的先期探索，涵蓋了新能源發(fā)電、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)多個應用領域，驗證了其應用的安全性。

2 梯次利用電池的經(jīng)濟可行性分析

2.1 儲能電站全壽命周期成本分析

對于電化學儲能電站工程，其全生命周期過程包括建設階段、運行階段和報廢階段。本文將梯次利用電池儲能電站的全壽命周期成本分為投資成本、財務成本、運維成本、充電成本和回收殘值5個部分，具體情況見圖1。

圖1儲能電站全生命周期成本構(gòu)成

在投資成本上，相比于新電池，梯次利用電池應用于儲能電站，增加了篩選配組的成本。在充電成本上，由于梯次利用電池的剩余容量較小，導致其實際可用容量低于新電池。另外，由于梯次利用電池的一致性較差，為避免過度放電時的電壓波動，需要降低其放電深度。因此，實際運行的充電成本也將增加。在運維成本上，相比于新電池，梯次利用電池在運維技術(shù)和安全保障方面的要求更高，相應的成本也將增加。

2.2 儲能電站電池系統(tǒng)度電成本模型

儲能電站度電成本是儲能電站全生命周期總投資與壽命期總發(fā)電量的比值。考慮到梯次利用電池應用于儲能電站與常規(guī)儲能電站的成本差異主要來源于電池系統(tǒng)，故本文主要分析儲能電站電池系統(tǒng)的度電成本?？紤]電池的運行特性和壽命特征，本文建立的儲能電站電池系統(tǒng)的度電成本計算模型如下

式中，LC為儲能電池系統(tǒng)的度電成本，元/（kW·h）；k為儲能電池系統(tǒng)的容量配置裕度；E為儲能電站額定容量，kW·h；C（i）為第i項儲能電池系統(tǒng)的成本，元/（kW·h）；e（t）為第t次循環(huán)儲能系統(tǒng)的放電量，kW·h；DOD為儲能電池系統(tǒng)的放電深度；λ為儲能電池系統(tǒng)的衰減率。

2.3 算例分析

設定梯次利用電池的容量已衰退為新電池額定容量的80%，電池重新配組時存在90%的篩選率，將健康狀態(tài)不符合要求的部分電池篩除。電池壽命終止邊界可用容量為額定容量的55%。鋰電池衰減考慮2階段線性衰減特性，鉛炭電池為全生命周期線性衰減特性，3種電池的各項指標設定見表1。

表1 3種電池指標對比表

通過本文建立的儲能電站電池系統(tǒng)度電成本模型進行計算，得到的3種電池全生命周期放電量和度電成本見圖2，其中直方圖代表全生命周期放電量、折線代表度電成本。

由圖2可知，在全生命周期放電量指標上，新鋰電池放電量最高，約為3 446 kW·h；鉛炭電池次之，約為1 396 kW·h；梯次利用電池最低，約為1 199 kW·h。在度電成本指標上，新磷酸鐵鋰電池最低，約為0.36元/（kW·h），鉛炭電池次之，約為0.59元/（kW·h），而梯次利用磷酸鐵鋰電池最高，約為0.82元/（kW·h）。

圖2 3種電池全生命周期放電量與度電成本對比

2.4 敏感性分析

梯次利用電池度電成本的影響因素主要包括篩選成本、購置成本和運維成本，通過對影響電池儲能度電成本的3種因素敏感性分析可知，購置成本是最敏感的因素，其次是篩選成組成本，運維成本對梯次利用電池儲能度電成本的影響較小。當梯次利用電池的購置成本下降40%時，其度電成本與鉛炭電池的度電水平持平；當梯次利用電池的購置成本下降80%時，其度電成本與新鋰電池的度電成本基本持平。因此，為降低梯次利用電池儲能的度電成本，應盡可能地降低購置成本和篩選成組成本。

3 結(jié)論與建議

通過上文分析，梯次利用電池應用于儲能電站在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的，只是電池購置成本是影響梯次利用電池度電成本的主要因素。因此，將退運電池梯次利用于儲能電站時，結(jié)合梯次利用電池的性能特點，提出以下幾點建議。

a）系統(tǒng)集成設計方面，建議采用組串式多變流器并聯(lián)集成的系統(tǒng)方案，將不同來源的電池設計為獨立的單元，配以小功率的儲能變流器，形成基本的儲能單元，再將多個儲能基本單元集成在一起形成儲能系統(tǒng)，最大化地發(fā)揮梯次利用電池的能力。

b）充放電管理方面，建議一方面控制梯次利用電池的放電倍率在0.2C以下；另一方面根據(jù)退運電池的實際情況對容量和放電深度進行調(diào)整，避免過度放電產(chǎn)生的電壓波動，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

c）應用方向方面，為保證梯次利用電池應用于儲能電站的安全性，建議現(xiàn)階段退運電池的梯次利用以小型化的分布式儲能為主要應用方向。

d）經(jīng)濟成本方面，梯次利用電池的高回收成本是阻礙其發(fā)揮經(jīng)濟效益的主要因素，因此必須不斷降低其狀態(tài)評估、分選重組、系統(tǒng)集成等過程的成本，提升在經(jīng)濟性上的競爭力。