中国储能网讯：摘要：在新能源汽车日渐走向主流的今天，电池的梯次利用也日益受到重视。本文试图探讨电池梯次利用的深层意义，并提出顶层设计为未来大规模的储能商业应用服务的思路。

关键词：电池、梯次利用、顶层设计、储能

一、现状和前景

我国汽车的产量和销量基本持平，在2017年接近3千万辆，已经连续9年蝉联世界第一。其中，17年的新能源汽车产量约59万，仅占2%不到，但是随着电池技术的发展，产能提高和成本下降，以及国家一系列环保和产业政策的推动，到2020年，预计产量可达200万辆。这意味着，2020年后，每年有接近上百万辆电动汽车退役，按平均每辆车50kwh的电池容量估计，约为50gwh，相当于电力系统里面3座抽水蓄能电站的容量（按广州抽水蓄能电站240万千瓦，7小时蓄水量估算）。如果2030年前，电动车的产销量达到上千万辆，则相当于每年淘汰的电池可以建30座抽蓄电站，这意味着，梯次利用电池储能电站足以和抽水蓄能并驾齐驱，成为电网调峰调频的主力。

这一庞大的市场和资源，如果利用得当，可以充分发挥电池全生命周期的经济价值，提高电力系统稳定，满足日益增长的峰谷差，节约电网运营成本。如果利用不当，则是无处不在的污染源，成为新能源汽车发展的累赘和包袱。因此，从战略高度分析相关问题，并采用积极措施应对，尤其做好顶层设计对于目前的电动汽车、电池和储能的发展都至关重要。

二、分析

站在全社会和全产业链的角度看电池的梯次利用，有三个层次的意义：

1） 社会意义：电池的主要组成部分是不可再生资源，如果产销量达到一定程度而没有合理的资源循环利用，则整个产业链受制于矿藏、原材料的开采，供应短缺所增加的成本由消费者承担，最终伤害整个产业链的利益。另一方面，电池无法自然降解，一旦被废弃，则回收难度大大增加，对环境不友好。以目前的技术水平，单纯的物理粉碎回收难以达到可盈利的经济水平。以回收价值较大的铅酸电池为例，据报道也只有30%的旧电池进入正规的回收机构。而电动汽车所用的锂电池一般认为回收价值比铅酸更低。可以预见，如果没有适当的回收价格激励，以后退役锂电池的回收比例会更低，考虑到以后锂电池的巨大产量，我们必须正视这一严峻的环境保护问题。幸运的是，退役的锂电池还具备一定的剩余充放电能力，可以通过梯次利用这一额外的附加增值环节，给予退役电池更高的回收价格，有可能通过市场手段解决这一社会问题。可见，电池梯次利用的社会意义在于通过一定的奖励机制提高了电池回收利用的积极性，避免随意废弃造成对环境污染。

2） 经济意义：把梯次利用电池用于储能，就不得不算清楚经济账。按目前国内大部分地区工业用电的电价峰谷差（峰按1元，谷按0.3元估算），储能每度电的盈利基准线为0.7元，也就是说，无论哪种储能技术，无论电池新旧，在储能的利用周期内只要度电成本控制在0.7元以下，就可以盈利。储能通过自身的峰谷套利，起到和电力系统内部（包括发输变配用、调度运行各方面）调平峰谷差，维持稳定运行的等效成本的作用，这里面包括了为高峰负荷建设线路和备用容量的成本，包括调度压出力，电厂非经济运行甚至热备用运行等各方面的综合成本。在目前的固定电价政策中，这个成本被均一化为0.7元，电力现货市场启动后，这个成本将会被灵活反映到分时段报价中。换言之，如果含一度电的旧电池还能循环200次，按前面分析估算，就具备了200*0.7=140元的基础价值。这一价值客观、真实，而且是和社会大众日常生活密切相关的。通过额外附加的140元价格，将大大增加电池进入正规回收渠道的可能性，并且为社会创造相应的财富，是一举两得之事。

3） 技术意义：梯次利用的技术通常被认为是电动汽车退役电池的再利用技术。实际上所有电池运行一段时间后都会变成旧电池，也会进入“梯次利用”的阶段。国内储能电站这几年的实际运行维护经验告诉我们，即使建站初期考虑了电池容量逐年衰减的特性，增加了一系列主动均衡和维护的措施，旧电池不一致性的劣化还是对系统性能和容量造成了影响，过往的大容量集中式、上百个电池串并联的技术体系无法支撑储能电站十几年的设计使用寿命。因此，以后所有的储能电站建议都按梯次利用的技术框架建设，着重考虑电池劣化后的成组管理，尽可能让PCS和BMS兼容不同种类不同批次不同容量的电池同时运行。同时，建议新能源汽车在设计阶段也应该考虑梯次利用的价值，从包装、焊接、历史数据记录等方面为梯次利用提供便利，可大大降低以后电池检测、修复、重组等环节的成本，有利于整个社会成本的降低和产业链循环经济的发展，同时也有利于增加电池的“残值”。由此可见，发展梯次利用的技术，更应该从电池的全生命周期利用角度出发，降低整个流通环节的综合使用成本，提高资源的利用率。

三、顶层设计

经以上分析，梯次利用需要从社会、经济、技术各方面进行通盘考虑，因此，站在全社会经济发展的战略高度去做梯次利用的顶层设计是有必要的。

首要任务是厘清电池在全生命周期中流通和利用的各个阶段和环节。以锂离子动力电池为例（3C消费类电池不具备梯次利用和储能的价值，不在本文讨论范围），新出厂的电池会优先供应给电动汽车，因为电动汽车对能量密度和容量要求较高。从经济学原理来看，则是因为电动汽车电池的度电价值最高，产品会自动流向实现价值高的地方。以一辆带50kwh电池的电动车为例，使用周期内行驶20万公里，假设百公里电耗15kwh，需要电池完成充放电循环600次，以全新的每kwh电池2000元价值估计，在电动汽车上每次循环的度电价值为3.33元。如果考虑到电池还剩余1000次循环寿命，可以600元价格回收用于梯次利用，则电动汽车上的度电价值为2.3元，而梯次利用储能度电价值为0.6元。可见，同样一块电池在电动汽车和储能上度电价值相差较大（2.3元和0.6元），必然会出现部分旧电池流向更高价值实现的应用场合。这时，梯次利用的方向可归为3类，一个是作为电信基站或机房的后备电源，替代传统铅酸电池，现在不少电信运营商和运维公司在推进相关工作；另一个是进入小型电动工具，低速电动交通，移动电源等领域，可归类为零散应用；最后一个是用作储能。

图一 电池全生命周期利用流通渠道

从图一看来，电池在全生命周期内的流通渠道实际体现了度电成本和度电价值逐渐递减的趋势，

从市场容量和规模来看，只有第三类的储能应用可与电池和电动汽车产销量相匹配，因此，梯次利用的储能应作为电池全生命周期链条中兜底的环节，对整个产业链起“压舱石”或者“蓄水池”作用。提倡通过市场和价格机制，发挥储能集中化和规模化的优势，把各种零散或者退役的电池汇集利用，并最终统一交付物理粉碎和回收，避免电池的废弃和浪费。具体可从以下几方面入手：

1） 政策法规

如前所述，电池的梯次利用具有重大的社会意义，政府应该出台相应的政策法规保障这一产业体系的健康发展，尤其在行业发展的初期，各项规章制度不完善的情况下。例如，规定电池的回收方式方法，禁止私自废弃电池，统一交由专业机构回收处理等。

2） 商业市场

梯次利用的最终目的，是通过健全的市场机制，吸引社会各界和产业链上下游自主完成电池全生命周期的流通利用。但梯次利用电池存在着“难评估，难拆解，难分选，难重组，难管理，难接入”的七大难问题。以评价估值为例，如何判断一个电池（或电池包）的实际剩余容量和健康状况，如何预估剩余循环次数和全生命周期放电量，将直接影响这个电池在市场上的定价。而以目前的技术经济水平，无法以合理低成本的方式得到答案，也无法在车厂、用户、回收机构、储能电站各方达成一个“价值共识”。价值的不透明导致了流通成本高昂，流通效率降低。要解开这个症结，需要政府主导或者行业自发形成一套对电池合理有效的评价体系，可参考石油、大豆等大宗商品交易，通过标号、标识等方式形成公开透明的标准单位商品。

电动汽车厂家花了很大的精力把电池包做得紧凑，牢不可破，是为了应对车上的空间和使用环境。但这样的设计出发点是“反梯次利用”的。因为电池的短板效应，电池组或者电池包的循环寿命和性能直接取决于最差的那个电池，这种现象在储能这种大量集中使用旧电池的场合尤为突出。而拆解和修复的难度直接影响了梯次利用的成本和盈利能力。

可见，在目前梯次利用市场没受到重视的情况下，商业市场的建立需要政策的引导，行业的共识和支持，才能进一步突破瓶颈。

3） 回收配送

电池的前期使用可看作是从厂家到用户的“化整为零”过程，则梯次利用阶段可以看作从用户到厂家的“化零为整”过程。前一阶段有厂家的销售和配送体系保障，后一阶段同样需要成套的收集、定价、仓储、运输体系，正如燃油的仓储、运输、配送体系，加油站网点建立对汽车产业的重要性一样，简单便捷低成本的回收配送渠道对梯次利用产业链甚至整个电池产业链也有同样的重要性。

4） 再利用门槛

什么样的电池能进入梯次利用的环节，目前也是比较模糊的问题。很多人认为只有高品质高可用率的电池才有梯次利用价值，或者整个电池包剩余容量不低于80%才有利用价值。其实撇开电池本身质量和性能差异，从经济性角度考虑比较容易得出结论。简单来说，如果一个电池经过一系列收集、仓储、运输、评估、检测、筛选、拆解、修复、重组、接入等一系列必要工序所产生费用成本小于剩余循环电量价值，则电池具备梯次利用价值。举例，一度电的电池经过上述再利用环节后，还能循环600次，则具备了0.7*600=420元的剩余循环电量价值，只要这个价值高于再利用过程中产生的成本（严格计算，还需要包括工位分摊、运行维护等沉没成本和管理成本等），可认为有实际盈利可行性。如果是纯商业市场行为，这样一个算法足以筛选出“可经济利用”电池。但是如果考虑到梯次利用的社会和环保意义，就不得不考虑“不可经济利用”电池的去向了。如果通过某个高标准筛选可用电池，意味着很大部分低可用性电池很可能一开始就不会进入这个回收渠道和再利用环节，被当作垃圾随意废弃，导致了资源的废弃和环境污染。因此，电池的再利用率应该成为整个梯次利用阶段评价专业厂家技术水平和电站管理水平的一个重要指标。政府也应该倡导电池的全额保底收购，甚至可考虑对不可用电池的补贴回收，确保所有旧电池进入正规渠道进行无害化处理和循环利用。

5） 多梯度利用

从图一可见，梯次利用本身是把电池的全生命周期分开几个阶段进行综合利用，这样可以给电池附加更多的价值。同样道理，进入梯次利用阶段的电池也可进一步地划分梯度，根据不同衰减程度、健康状态以及参数的一致性区别，实现分梯度管理，配置不同的PCS和BMS，可最大化电池的梯次利用价值。众所周知，电池用得越久，差异性越大，对容量和性能影响也越大。最理想的电池管理方法，是每个电池通过独立的PCS接入上网。但明显这种PCS的效率和成本是无法接受的。而像新电池一样把上万个单体串并联，然后通过一个500kw的PCS并网，对于旧电池而言显然也是不合适的。因此，建立一个多梯度利用的技术框架，把电池按照实际不一致性状态分开A、B、C、D等多个梯度接入不同功率大小和成组规模的PCS，实际是对成本、效率和收益的一种折衷。另外，这样可以把PCS和BMS做成“铁打的营盘”，把电池做成“流水的兵”，每使用一定时间（半年或一年），根据电池的衰减变化状况进行调整，每个梯度的电池都可以往下一梯度的工位移动，可以最大化利用电池的剩余循环寿命。

6） 快速更换

常规的储能电站一般认为电池有长达10年的设计使用寿命，所以电池安装调试后就不用经常挪动。而梯次利用储能电站则把电池当作不停更新替换的“燃料”，则需要更多考虑进料、换料、出料等问题。为了实现上述多梯度的利用架构，降低平时的运维检修管理费用，有必要实现电池模块的快速更换系统。这和电动汽车换电模式有相似之处。通过接口和工位的设计，使得电池模块的装拆，电站内的传输，变得便捷方便，可以大大提高电站运行效率，降低运维成本。

7） 原始设计考虑

电池梯次利用的技术难题，大多数是从电动汽车的电池（包）设计上继承过来的。因为电动汽车需要高密度、高机械稳定性，特殊位置安装的要求，而这种针对单个车体的设计，导致梯次利用电池需要很高的代价和成本才能重新放到储能的大规模集中化应用中。所以，在电动汽车原始设计阶段多一些梯次利用的考虑，例如电池包简单便捷的拆解方法，对电池健康状况数据的记录，电池模块快速更换的设计，都将大大降低后期梯次利用的技术难度和成本，对全社会的效益和产业链的健康发展都是有意义的，政府也应该通过补贴和标准体系建立等措施大力推动电池和电动车厂家加入到梯次利用产业阵营里面。

四、结语

为什么要梯次利用？要不要梯次利用？怎样做梯次利用？是摆在电动汽车、电池、储能、新能源几个战略新兴产业面前的问题。本文从前几年国内储能发展的一些实践经验出发，希望能部分做出回答。

另一方面，我们也应该清醒看到这一市场的前景和影响力。以目前国内外发展势头，10年后新能源汽车有可能占到汽车市场的半壁江山。另外，欧洲一些国家已经出台禁售燃油车的时间表，香港和国内一些城市也在研究相关政策，可以说，汽车的电动化不可阻挡。而同时电池这一新的能量载体，是否会给我们带来与传统石化污染不一样的环境问题？这都需要我们提前思考和布局。

尽管目前梯次利用的技术和管理难度较大，部分环节存在面粉比面包贵的不合理现象，行业内也有不少质疑的声音。但相信通过一定程度的政策引导和和合理的顶层设计，这些问题都可以得到解决，也只有这样，电动汽车和电池这些产业才可能长远地健康发展前景。