2.3　退役动力电池梯次利用面临的主要问题及技术难点

2.3.1　退役动力电池梯次利用面临的主要问题

2.3.1.1　退役动力电池回收

在我国2016年发布的《电动汽车动力电池回收利用技术政策（2015年版）》中，虽然明确退役动力电池回收利用的责任，但由于该政策并不是强制性管理且缺乏明确的奖惩机制，加上退役动力电池回收再利用经济性不高，目前各级动力电池相关主体对政策的执行并不乐观。

由于国内退役动力电池回收在法律、渠道、成本等诸多方面存在问题，阻碍了回收市场的快速发展。动力电池生产企业的动力电池回收业务尚处于规划与试验阶段，随着我国电动汽车数量的不断增多，退役动力电池的数量也在持续增长，这意味着有必要建立合适的退役动力电池处理方案。因此，开展退役动力电池的回收研究对我国实现循环经济和可持续发展具有深远意义。

目前，退役动力电池回收产业还未形成规模效应，国内还未建立成熟的回收体系，一些企业虽然涉及了退役动力电池回收业务，但是回收效率较低，投入超出回收退役动力电池价值，缺乏盈利点。在我国，部分地方政府也通过补贴等方式鼓励梯次利用的进行，在补贴的驱动下，退役动力电池梯次利用的成本有望进一步降低，回收退役动力电池的企业将更有动力对退役动力电池进行梯次利用。

目前，我国退役动力电池的回收渠道主要以回收小作坊为主，专业回收公司和政府回收中心较少，体系有待重整。地方各政府依照国家相关法律设置的国家回收中心，有利于科学规范地管理退役动力电池回收市场、完善回收网络、合理布局回收网络和回收市场，提高正规渠道的回收量。目前我国还没有退役动力电池的政府回收中心，但未来可以根据我国现实情况，有选择地进行发展。

2.3.1.2　动力电池组拆解

动力电池梯次利用的解决方案有两种：单体拆分和保持原动力电池箱。从重量、容量、兼容性、拆分、管理成本等角度对比分析，两种方案各有利弊。动力电池厂应当优先通过运用大数据及可追溯体系选择动力电池模块应用，因为PACK自动化主流技术已逐渐转变到激光焊，如果拆解退役动力电池后打磨再焊接，则单体方案可行性差。

在动力电池退役时，是将整个PACK从电动汽车上拆解下来的。不同车型的动力电池有不同的PACK设计，其内外部结构设计、模组连接方式和工艺技术各不相同，意味着不可能用一套拆解流水线适合所有的退役动力电池PACK和内部模组。那么，在退役动力电池的拆解方面，就需要进行柔性化的配置，将拆解流水线进行分段细化，针对不同的动力电池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。如果进行自动化拆解，对生产线的柔性配置要求比较高，从而导致处置成本过高。目前国内只有极少数企业自主研发了机械自动化拆解设备，尚不足以支撑起退役动力电池梯次利用的市场。

在进行退役动力电池的拆解作业时，不可能完全实现自动化，必然存在大量的人工作业，而退役动力电池本身是高能量载体，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，确保退役动力电池拆解过程中的安全作业，是退役动力电池梯次利用的一个重点。

从电动汽车上拆解下来的退役动力电池复杂程度很高，包括不同类型动力电池制造和设计工艺的复杂性、串并联成组形式、服役和使用时间、应用车型和使用工况的多样性。动力电池有方形、圆柱形等不同类型，其叠片、绕组形式也不同，由于集成形式不同，成组后动力电池组也各异，这些复杂性导致退役动力电池回收再利用或者拆解时极为不便。

在退役动力电池的拆解环节，由于动力电池内部连接方式复杂且各不相同，目前自动化水平较低，还存在容易拆坏、引发安全事故以及拆解效率低下三大问题。因此，在目前自动化水平不高的情况下，多数工序是人工完成的，工人的技能水平可能会影响着退役动力电池回收过程中的成品率。同时在手工拆解过程中，动力电池短路、漏液可能导致起火或者爆炸，对人身和财产有潜在安全隐患。

由于不同动力电池企业生产的动力电池从使用的材质、外形、组合方式和冷却方式不尽相同，因此拆解过程也需根据实际情况，采用不同的拆解方式。拆解过程均应采用专用设备和工具，按照科学合理的拆解流程，在保证拆解过程安全、环保、高效的前提下进行拆解，避免拆解过程中损伤动力电池模块或动力电池单体。

动力电池单体是动力电池的基本构成单位，动力电池单体通过串并联形成动力电池模组，再通过配备动力电池管理系统、热管理系统等装置，最终构成动力电池组（Pack）。退役动力电池的拆解则是反向进行的。但由于拆解和重新配组的成本过高，已在推进这一项目的公司都不再拆解到动力电池单体这一层级，而是选择直接处理整个退役动力电池组。

不要试图通过拆解退役动力电池组来进行动力电池单体的分容分组，因为动力电池组拆解工作量大，会引入新的安全风险，应当以动力电池组的形式进行梯次利用。

①退役动力电池组拆解工作量大、成本高，与之相比，换掉其中的短板动力电池后继续以动力电池组方式进行梯次利用是更为经济的方案。

②不同动力电池组的使用环境和控制策略差异极大，拆解后重新配组的难度非常大。

③退役动力电池组从车上退下来不拆，在车上它的安全性是得到验证的，拆解以后对动力电池的安全性也带来了新的问题。

④拆解过程会导致大量物理废弃，而重组又会引发新的物料成本。

2.3.1.3　动力电池筛选

退役动力电池的测试与评估在电动汽车退役动力电池梯次利用产业的发展过程中至关重要，尤其是如何测试与评估退役动力电池组的性能。目前国内外在该领域的研究刚刚起步，尚有很多问题需要解决，具体来说，包括以下几方面。

（1）动力电池系统性能测试与评价　现有的动力电池方面的相关测试方法或各类国家标准、行业标准更多针对动力电池单体或小模块，仅考核动力电池本身或多动力电池模块性能，尚没有对整个动力电池系统的测试方法和评估标准。

（2）动力电池系统安全性能测试与评价　动力电池系统的安全性能对纯电动汽车产业化至关重要，如何考核与评价其安全性能，是目前产业界关注的热点，也是亟待解决的问题。针对拆解后的退役动力电池模组，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退役动力电池模组进行安全“体检”，这是非常重要的测试工序。

（3）动力电池系统加速寿命测试方法　循环寿命是关系整车寿命与价格的重要指示，目前的循环测试结果距离整车实际应用工况尚有一定的差距。动力电池通常有10～15年的使用寿命，因此通过对不同电化学体系，在不同使用环境、不同使用条件下的失效机理分析，结合相关电化学模型确定加速寿命试验方法，成为纯电动汽车动力电池研究开发领域非常活跃的分支。

对达到使用寿命需要退役的动力电池，可通过退役动力电池回收中心进行统一收集，建立完善的退役动力电池收集网络。对收集到的退役动力电池，通过对退役动力电池特性的诊断，分为三类进行处理。

（1）进入维修体系　对退役动力电池进行充放电试验和相关信息的读取，如退役动力电池整体状况良好，只是个别动力电池单体到达使用寿命，则对这些动力电池单体更换后重新组装动力电池组，可以作为置换动力电池重新应用于电动汽车上。

（2）梯次利用　通过检测，如果回收的退役动力电池还剩余规定容量，则可以进行梯次利用，应用于分布式储能系统，用来平抑、稳定风能、太阳能等间歇式可再生能量发电的输出功率；或者应用于微电网，实施削峰填谷，减轻用电负荷供需矛盾。

（3）拆解　对于完全丧失再利用价值的退役动力电池，则对退役动力电池进行拆解和化学处理，完全回收镍、钴等金属，用于生产新的动力电池，实现循环利用。

退役动力电池的再利用必须经过品质检测，包括安全性评估、循环寿命测试等，将退役动力电池分选分级，再重组后才可以被再利用。由于动力电池的设计寿命、产品品质和使用情况的不同，动力电池退役时的状态也参差不齐。检测和筛选环节是梯次利用的关键，由于回收到的退役动力电池的不一致性，进行梯次利用时需要对其剩余使用价值和健康状态进行检测，对于使用情况类似、可以成组的退役动力电池进行筛选。此外，在动力电池的正常使用期间，BMS检测系统能够记录较为完整的充放电运行数据，有助于在其退役时准确评估其剩余容量，降低退役动力电池检测成本。检测筛选环节需要综合应用软件技术、测控技术、制程工艺等，涉及光、机、电等跨行业多学科技术，技术门槛非常高，目前国内正处于起步阶段。

针对退役动力电池的梯次利用，必须把有问题的退役动力电池筛选出来，或做安全分级处理，才有可能继续流通到后面的市场中去。无论是整个退役动力电池组原封不动地使用，还是拆解出模块再用，安全筛选都必不可少。怎样用简单的方法鉴别出存在安全隐患的退役动力电池，甚至能把鉴别结果呈现为风险性高、中、低，是当前行业最主要的瓶颈。这个过程既要考虑筛选的准确性，还要考虑成本。根据动力电池的外特性，筛选出可使用的动力电池单体分为两种情况考虑。

①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，结合动力电池的出厂数据，可以建立动力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动力电池模组的剩余寿命（根据所设定的终止条件）。

对于有历史数据的退役动力电池，动力电池从出厂到回收所经历的使用过程、充放电容量总体变化情况、电压等都记录在案。借助对电芯外部特性与内在结构之间关系的研究成果，不用拿到退役的动力电池就可以先进行初步的一致性评价、剩余价值评价和安全性评价。

②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退役动力电池后，要判断其健康状态和剩余寿命就必须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。

针对在服役期间没有完整的数据记录的退役动力电池，梯次利用的成本会提高很多，测试设备、测试费用、测试时间、分析建模基于有限的数据等，都会增加不少成本，导致梯次利用的经济价值降低。再利用过程进行动力电池寿命预测时，准确度可能会下降，动力电池的一致性无法保障，这无疑又会增加梯次利用产品的品质风险。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。由于不同动力电池的内阻特性、电化学特性、热特性不同，退役动力电池的不一致性和可靠性可能也无法保证，如果一些存在问题的退役动力电池在筛选过程中没有被检验出来，而再次被使用，会增加其他整个动力电池系统的安全风险。

退役动力电池梯次利用最为关键的问题就是检测环节，只有正确判断退役动力电池单体或动力电池模组的工作状态，才能进行相匹配的梯次利用。退役动力电池梯次利用必须经过品质检测，包括安全性评估、循环寿命测试等，将退役动力电池分选分级，再重组后才可以被再利用。为此，应建立了一套以梯次利用信息系统为核心的综合评估体系，对退役动力电池进行检测。该系统综合了数据库、模型与评估方法、物料管理三个重要环节，可对退役动力电池的残值、信息追溯、梯次利用方案等进行全方位支持。

群菱能源研发的退役车用动力电池余能检测试验平台可实现100路电动汽车退役动力电池余能检测，可实现自动导出测试报告，对退役动力电池的电性能指标实现自动化测试，满足车用动力电池回收利用一键测试的要求，为电动汽车退役动力电池余能检测与回收利用提供可靠的依据。退役车用动力电池余能检测试验平台的三层拓扑结构如图2-4所示。

①最上层为能量调度层，由4台250kW交流能量管理馈能装置及光伏发电系统接入，实现检测系统最大程度利用新能源发电，降低对负荷变压器用电需求。

②中间层为检测层，由50台30kW和50台50kW动力电池电性能检测仪、100kW·h动力电池储能系统组成，满足混合动力汽车、纯电动乘用车、大巴车等不同种类动力电池余能检测需求，100kW·h储能系统可以平滑多台检测仪同时工作时的瞬时功率波动。

③最下层为动力电池接入层，实现被测动力电池及BMS系统电气和通信即插即用。

在《车用动力电池回收利用余能检测》中，规定退役动力电池的作业程序应按照严格检测流程和高安全性的要求来进行。检测流程是进行动力电池余能检测的最重要过程，包括外观检查、极性检测、电压判别、充放电电流判别、余能测试等步骤。车用动力电池的余能检测应按图2-5所示的作业流程进行。

图2-5中：Ya为动力电池满足企业技术规定条件中的外观条件；Na为动力电池不满足企业技术规定条件中的外观条件；Yb为动力电池满足企业技术规定条件中的电压限值条件；Nb为动力电池不满足企业技术规定条件中的电压限值条件。

退役车用动力电池余能检测试验平台依据国家标准GB/T 34015—2017《车用动力电池回收利用余能检测》，主要完成以下功能。

①动力电池单体、模块的外观检查、信息采集、电压判别、首次充放电电流确定、I₅确定、材料判别。

②动力电池单体室温下的放电容量检测，动力电池模块的室温放电容量检测。

③退役动力电池梯次利用储能项目采用削峰填谷的运行策略，谷电价阶段厂区低压侧电网向储能系统充电，峰电价阶段储能系统向用户负载供电，以合同能源管理的商务模式与客户分享峰谷价差带来的收益。

（1）EPCI系列动力电池电性能检测仪　EPCI系列动力电池电性能检测仪的输出特性具有高精度及高动态响应特性，电压输入范围大，产品输出具备管理多种动力电池的充放电的特性功能，内部集成多种动力电池组通信协议，专用动力电池组连接端口，可适配市面上主要厂家动力电池组接口。采用全范围、高精度测量模块，可精确测量各类动力电池电压、电流、容量值，电压电流测量精度大于0.5级，温度精度±0.5℃，时间、尺寸、质量测量精度高达±0.1%。

（2）ACST系列交流能量管理馈能装置　ACST系列交流能量管理馈能装置是动力电池能量测量专用四象限运行的能量管理专用仪器设备，ACST系列交流能量管理馈能装置具有完备的能量管理功能，集成计算机控制技术、电源变换技术、能量管理控制技术及多机并联拓展的能量自动分配等动力电池检测专用测量技术；系统采用高效隔离方案，安全可靠，电磁噪声低，效率高；基于直流母线智能功率与能量管理，多机并联运行模式下自动实现功率能量均衡管理；产品控制电压高精度及高动态响应特性，并具有双向电网能量管理功能；采用全数字高性能DSP+FPGA及全新一代功率器件，控制精度高、响应速度快、效率高、输出调节范围广；配备专用计算机管理软件，可对数据自动进行存储控制，可进行计算机编程，实现自动运行管理。

（3）DCLT系列锂动力电池均衡充放电设备

①适用动力电池：铁锂、三元锂、锰酸锂、钛酸锂等动力电池。

②宽电压范围：5V宽电压范围，适用于所有电压等级的锂动力电池测试。

③工作方式：充电、放电、均衡，充分激活锂动力电池性能。

④智能均衡：可指定任意单个或多个通道电芯检测及均匀充电，不发生过充和过放情况。

⑤参数采集：电压、电流、温度等。

⑥数据分析：可在设备上查询数据，支持柱状图、曲线图等不同方式查看。

⑦显示：10in（1in=2.54cm）超大触摸屏显示，可同时显示所有工作单元的工作参数状态。

⑧SOC显示：可定制SOC信息分析显示。

⑨校准：带有电压和电流校准修正功能，保证测量精度。

⑩多重安全保护：具备过压、欠压、过流、过温等保护，对放电过程中的各种异常状况提供充分保护措施。