退役動力電池有救了 電動汽車動力電池的梯次利用分析

一、 為了我們生存的家園

談梯次利用之前，有必要對我國的電動汽車發展歷程，做個簡短的回顧。

隨著全球環境的加速惡化和不可再生資源以可見的速度枯竭，各國政府都在想盡辦法解決我們所面臨的後工業化時代的環境危機和生存危機。這其中以新能源汽車的推廣最具代表性，參與主體涵蓋了歐、美、日、中等世界主要經濟體，也是全球最主要的汽車市場，大家基本上是百花齊放，各展所長。

在我國新能源汽車的發展路線上，由於我們在混合動力、燃料電池等領域缺乏足夠的基礎技術研究和產業化積累，為了在新能源汽車領域不落後於人，考慮我國的電池企業在全球還有一席之地，政府從一開始就採取了一種較為激進的做法，即政府主導部門主要推動純電動汽車的發展，並為此制訂了一系列國家層面的產業引導政策，這一做法曾經被戲稱為「彎道超車」。

以下為我國中央政府近5年來所推出的一系列涉及新能源汽車的相關政策，不包含各地方政府單獨制定的區域性政策：

《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》

《國務院關於印發大氣汙染防治行動計劃的通知》

《京津冀及周邊地區落實大氣汙染防治行動計劃實施細則》

《關於繼續開展新能源汽車推廣應用工作的通知》

《四部委確定首批新能源汽車推廣應用城市或區域名單》

《國務院辦公廳印發2014-2015年節能減排低碳發展行動方案》

《關於進一步做好新能源汽車推廣應用工作的通知》

《關於支持瀋陽長春等城市或區域開展新能源汽車推廣應用工作的通知》

《關於印發政府機關及公共機構購買新能源汽車實施方案的通知》

《關於免徵新能源汽車車輛購置稅的公告》

《國務院辦公廳關於加快新能源汽車推廣應用的指導意見》

《關於電動汽車用電價格政策有關問題的通知》

《免徵車輛購置稅的新能源汽車車型目錄（第一批）》

《京津冀公交等公共服務領域新能源汽車推廣工作方案》的通知

《免徵車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》(第二批)

《關於印發加強「車油路」統籌加快推進機動車汙染綜合防治方案的通知》

《關於印發能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）的通知》

《關於新能源汽車充電設施建設獎勵的通知》

《新建純電動乘用車生產企業投資項目和生產準入管理的暫行規定(徵求意見稿)》

《鋰離子電池行業規範條件》

《免徵車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》（第三批）

《關於2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》

《關於開展新能源汽車推廣應用城市考核工作的通知》

《中國製造2025規劃綱要》

2014年之前，各地方政府在電動汽車的推廣方面，大多雷聲大雨點小，原因大致有：產品不成熟；消費者認可度不高；商業模式不明朗；成本和售價高昂；充電設施不完善等。除了各地政府搞的一些示範工程外，電動汽車的大規模商業普及顯得力不從心。我國政府2012年制定的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012~2020)》中要求，到2015年實現累計銷量50萬輛的新能源汽車推廣目標，到2020年則要求實現200萬輛生產能力和500萬輛累計銷量的產業目標。

得益於政府近十年不斷加碼的政策扶持，社會大眾的環保意識逐步加強，各地方充電基礎設施的大規模建設，以及國內一批企業在技術研發和產品推廣方面的持續努力，我國的電動汽車市場在2014年迎來了「井噴」發展的一年。那些在電動汽車產業鏈上下遊精耕細作的企業，也終於挺過了黎明前的黑暗，迎來了希望的曙光。

統計數據包含乘用車和商用車

統計數據不含商用車

在經歷一系列的曲折之後，不管是政府還是企業都意識到，純電動汽車的推廣還有很多當前無法克服的瓶頸，而原本不那麼受「待見」的混合動力汽車，則成為當下能夠有效銜接政府目標和社會需求的產品，所以市場出現了混動車型和純電動車型齊頭並進的局面。

2014年中國市場電動乘用車銷量排名

2014年 中國市場各類型電動車銷量統計(工信部數據)

中國電動汽車市場的「一哥」比亞迪，押寶電動汽車十年，在政策和市場的雙重驅動下，也逐漸迎來了自己的收穫季。比亞迪在電動汽車的核心部件電池、電機、電控等領域都有完善的布局，產品類型涵蓋插電式混合動力乘用車(秦，唐等)，純電動乘用車(E6)，純電動商用車(K9)，以及其他一些細分車型。市場推廣方面，不但在中國市場成為領頭羊(市場佔有率超30%)，在歐洲，北美和南美市場也屢有斬獲，成功躋身於全球新能源汽車領域的「大玩家俱樂部」。其暢銷車型「秦」的銷量，在2014年全球新能源汽車市場排名第7，預計今年的排名還將升高(2015年4月份全球排名第3)，讓我們看到了一絲「彎道超車」的希望。

在2014年發力的基礎上，預計今年中國市場的電動汽車銷量會超過15萬輛，雖然離中央政府規劃的銷量20萬輛，存量50萬輛的目標尚有一些距離，但目標已經不再遙不可及。相信在「十三五」期間，通過全社會的共同努力，達成《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012~2020)》中規劃的2020年目標，並不是不可能。

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二、 脆弱的環境承載力

電動汽車的推廣，環保是當之無愧的主旋律，它承載著我們對創造美好生活家園的希望。隨著發電端可再生能源佔比不斷提高，能源消費終端電動汽車佔比不斷提高，整個社會對石化能源的依賴就會逐步下降，我們也會朝著全球碳排放目標更進一步。

在降低碳排放的同時，我們的電動汽車是否就像宣傳的那樣，對環境不會產生任何嚴重影響？或者說，我們要怎麼樣做，才能在降低大氣汙染的同時，不帶來其他嚴重的環境問題？

我們先看看傳統的乾電池和鉛酸電池，如果回收和處理不當對環境所造成的巨大危害。以下關於電池汙染方面的信息，基本都來自百度，非本人原創。

我們日常所用的普通乾電池，主要有酸性鋅錳電池和鹼性鋅錳電池兩類，它們都含有汞、錳、鎘、鉛、鋅等各種金屬物質，廢舊電池被遺棄後，電池的外殼會慢慢腐蝕，其中的重金屬物質會逐漸滲入水體和土壤，造成汙染。重金屬汙染的最大特點是它在自然界是不能降解，只能通過淨化作用，將汙染消除，同時也由於重金屬容易在生物體內積蓄，從而隨時間的推移達到一定量之後，產生致畸或致癌變的結果，最終導致生物體死亡。一粒紐扣乾電池可汙染60萬升水，等於一個人一生的飲水量。一節電池爛在地裡，能夠使一平方米的土地失去利用價值。

在鉛酸蓄電池的組成中，屬於有毒有害和腐蝕性物質佔據了較大的部分。其中，電解液硫酸佔到電池總重量的16%左右，含鉛物質的重量佔70%以上。鉛酸蓄電池在生產和回收過程中產生大量的鉛煙、鉛塵及含鉛廢水等汙染物，對環境造成較大的汙染，同時對人們的生產生活也造成較大的危害。如果回收處理不當，電池腐蝕後溢出的含鉛重金屬和酸性物質不但嚴重汙染土壤和水源，對空氣環境、生態平衡也會造成破壞，還會引發人體代謝、生殖及神經等方面的疾病，鉛中毒在我國屬於比較常見的環境汙染現象。

我國一年生產，消費多少乾電池和鉛酸電池？以2014年的數據為例，鹼錳和鹼鋅這兩大類乾電池產量總和即達到322億隻，相當於中國人在2013年大約人均消費22隻乾電池。鉛酸蓄電池在2013的總產量達到了204GWh，約相當於人均消耗145Wh。

那麼我們回收了多少乾電池和鉛酸電池呢？據中國電池工業協會的估計，乾電池正規回收比例不足2%，其他的基本都被混入生活垃圾進行處理。鉛酸電池正規回收比例不足40%，其他都流向了各類黑作坊，或直接被當作工業/生活垃圾處理掉。

一年多達上百億隻各類化學電池未得到正確的回收和處理，而是被當作垃圾進行丟棄、焚燒、填埋，成千上萬噸有害的重金屬，如鉛、汞、鎘、鋅、鎳、錳等，以及各類化合物和酸性物質，進入空氣、土壤、河流以及地下水，變成巨大的難以根除的汙染源，包圍著我們生存的每一寸空間，將造成持續上百年的汙染。

再來看看電動汽車動力系統所採用的鋰離子電池，目前，全球電動汽車市場(不包含燃料電池汽車)，其動力電池類型主要有磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳鈷錳三元等，這些電池在退役後，是否會成為潛在的「汙染源」？

鋰離子電池中不含汞、鎘、鉛等毒害大的重金屬元素，但鋰離子電池的正負極材料、電解質溶液等物質對環境和人體健康還是有很大影響。因此，如將廢舊鋰離子電池採取普通的垃圾處理方法(包括填埋、焚燒、堆肥等)，其中的鈷、鎳、鋰、錳等金屬以及無機、有機化合物必將對大氣、水、土壤造成嚴重的汙染，具有極大的危害性。廢舊鋰離子電池中的物質如果進入環境中可造成重金屬鎳、鈷汙染(包括砷)，氟汙染，有機物汙染，粉塵和酸鹼汙染。廢舊鋰離子電池的電解質及其轉化產物，如LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、HF、P2O5等，溶劑及其分解和水解產物，如DME、甲醇、甲酸等，都是有毒有害物質，可造成人身傷害，甚至死亡。

以我國電動汽車的發展速度，如果到2020年時，電動車市場存量超過500萬輛，以一輛車平均配備20kWh的電池來估算，約有1億kWh(1000 GWh)的鋰離子電池進入汽車市場。如果回收處理不當，所造成的環境危害，恐怕是數倍於乾電池和鉛酸電池。

因此，如何應對電動汽車後市場，合理的回收和利用汽車退役下來的動力電池，不是等電動汽車市場發展起來之後才去考慮和規劃的，而是應該在當前，進行技術、市場、產業、政策、環保等各方面的研究和實踐，完善電動汽車市場的相關配套措施。

我們絕不能走先發展、後汙染、再治理的老路，不要讓電動汽車這一被寄予厚望的「環保」之花，結出腐爛惡臭的果實。

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三、 汽車領域動力電池規模

2012年之前，電動汽車的市場規模較小，更多的是在進行示範工程推廣，以此帶動產業的發展。2012~2014年，是市場規模快速增長的時期，經過前期的政策推動和產業積累，市場呈現迅猛發展的態勢，表現為車型多樣化(各大車企都推出了自己的代表產品)，商業模式多樣化(出租運營、分時租賃、微公交等)，參與主體多樣化(傳統車企、新能源車企、網際網路企業、其他類型企業等)。

進入汽車市場的動力電池，與電動汽車發展態勢相同，也在最近幾年呈現出加速度發展的趨勢。市場的強勁需求，帶動了國內原材料企業、電芯企業、電池pack企業的快速發展和產業擴張，也吸引了國外的行業龍頭，如三星SDI，LG化學在中國建廠，更好的服務中國市場。

2014年中國鋰電行業相關數據(來源於高工鋰電)

從市場集中度看，2014年中國動力電池產值前10企業佔據總產值比例達到77%，市場份額集中在少數企業中。中國動力電池企業數量接近100家，而真正進入整車供應體系的企業數量不超過20家，市場兩極分化較為突出。由於2014年以來電動汽車市場出現井噴發展態勢，國內一線動力電池企業產能緊張，市場供應出現不足，給國外企業(三星SDI，LG化學)和國內二線企業進入整車供應體系提供了更多的機遇。

在技術和產品發展路徑上，各家動力電池企業也有所不同。2014年之前，得益於在安全性方面的良好表現，磷酸鐵鋰電池是主流。隨著全球各國政府和企業，對電動車動力電池能量密度的要求逐步提高，鎳鈷錳三元材料電池將在未來5~10年成為市場供應主體。此前，比亞迪主要在大容量的磷酸鐵鋰電池方面發力，在e6，秦，K9等車型上面進行了大量的推廣應用。從去年開始，比亞迪另闢蹊徑，研究磷酸鐵錳鋰電芯，應用到新一代的e6，秦和唐等車型上面。CATL則在大容量的磷酸鐵鋰電芯和三元材料電芯兩方面發力，堅持自己的技術創新方向和市場領域，在國內商用車和國外乘用車市場收穫頗豐。力神，萬向等企業緊跟國外主流產品，在小容量的圓柱形三元材料電芯市場取得不錯的成績，與江淮、上汽、奇瑞、吉利、眾泰等本土企業展開緊密合作。其他一些動力電池企業，如中航鋰電、國軒、比克、沃特瑪等，也都有自己的技術或產品相對「優勢」領域。

我們根據歷年媒體所公布的電動汽車銷量數據和各批次《免徵車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》中相關的車型數據，進行整理、比對和分析，粗略統計出我國2009~2014年各年度的電動汽車動力電池總量，相關數據如下：

以我國前幾年的動力電池技術及系統集成技術水平，這些進入市場的動力電池，一般在3~5年左右即將達到設計的壽命終止條件(容量衰減到初始容量的80%)，部分一致性不好或使用工況較惡劣的，甚至達不到3年的使用壽命。以此推算，我國將在2017年左右，迎來動力電池退役的GWh時代，此後逐年快速遞增，預計到2019年，最晚不會超過2020年，會有超過10GWh的退役動力電池規模。

面對如此規模的動力電池後市場，只有儘早進行產業化的研究和積累，才能在巨浪到來時，乘風破浪遊刃有餘。

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四、 梯次利用全球示範工程和項目

國務院在《節能與新能源汽車產業發展規劃》中明確規定：「(五)加強動力電池梯級利用和回收管理。制定動力電池回收利用管理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系，明確各相關方的責任、權利和義務。引導動力電池生產企業加強對廢舊電池的回收利用，鼓勵發展專業化的電池回收利用企業。嚴格設定動力電池回收利用企業的準入條件，明確動力電池收集、存儲、運輸、處理、再生利用及最終處置等各環節的技術標準和管理要求。加強監管，督促相關企業提高技術水平，嚴格落實各項環保規定，嚴防重金屬汙染。」

國家層面針對梯次利用的相關扶持政策、行業規範和標準，也在積極制定當中。

全球各國都在積極開展動力電池梯次利用方面的實驗研究和工程應用，其中日本、美國和德國等國家走的比較早，並且已經有一些成功應用的工程和商業項目。我國從近幾年才開始開展相關的理論研究和示範工程，步伐相對慢一些，成規模的商業化運作還未真正開始。下表給出了全球一些梯次利用的典型案例：

國家	應用領域	案例描述	參與主體	性質
日本	家庭和商業儲能	日產汽車和住友集團合資成立了4R Energy 公司，從事電動汽車廢棄電池的再利用，在日本和美國銷售或租賃的日產Leaf 汽車的二手電池用於住宅和商用的儲能設備	4R Energy公司	商業運作
美國	移動電源	美國創業公司FreeWire推出了一款電動汽車充電寶產品，充電對象是所有的電動汽車，這款產品名為Mobi Charger，裝有滾輪方便移動，主要面向寫字樓等工作區域。	FreeWire公司
美國/日本	家庭儲能	美國EnerDel公司和日本伊藤忠商事在部分新建公寓中推廣梯次利用電池。	美國EnerDel公司，日本伊藤忠商事
中國	商業儲能	100KWh梯次利用電池儲能系統的工程示範，歷時2年，由中國電科院、國網北京市電力公司與北京交通大學共同完成，於2014年6月19日通過驗收。	中國電科院、國網北京市電力公司與北京交通大學	示範工程
德國	電網儲能	2010年TUV南德意志集團受到Germany Federal Institute for Building的委託，參與電動汽車電池階梯利用的研究項目，並在德國柏林建立儲能應用示範工程。該項目得到德國能源與氣候研究機構的資金支持。	TUV南德
德國	電網儲能	博世集團利用寶馬的ActiveE 和i3純電動汽車退役的電池建造2MW/2MWh的大型光伏電站儲能系統。該儲能系統由瓦滕福公司負責運行和維護。該項目將建在德國柏林，預期將於2015年年末投入使用。	博世集團 BMW 瓦騰福公司
中國	低速電動車/電網儲能	利用退役的動力電池，在電動場地車、電動叉車和電力變電站直流系統上進行改裝示範，經實測回收電池性能上相比傳統鉛酸電池有一定優勢，且經濟性較好。	國網北京市電力公司、北京工業大學和北京普萊德新能源電池科技有限公司
中國	電網儲能	河南省於2014年8月建成退役動力電池儲能示範工程，該工程位於鄭州市尖山真型輸電線路試驗基地，是國內首個真正意義上的基於退役動力電池的混合微電網系統。	國網河南電力公司、南瑞集團等
美國	綜合	2002年，美國國家能源部首次立項委託Sandia國家實驗室開展車用淘汰電池的二次利用研究，該項目主要針對電池梯次利用的領域、過程及步驟、經濟性、示範規模進行初步研究	美國Sandia國家實驗室	項目研究
美國	分布式發電 微網	2010年，美國可再生能源國家實驗室（National Renewable Energy Laboratory）開始進行插電式混合動力汽車及純電動汽車用鋰離子電池二次利用的研究，提出淘汰電池可以用在風力發電、光伏電池、邊遠地區獨立電源等。	美國可再生能源國家實驗室
美國/瑞典	智能電網	美國通用公司與瑞典ABB 集團聯合開展了車載鋰電池（針對2010 年底量產的插電式混合動力車Volt）再利用的調查與研究，包括智能電網方面，如用來存儲太陽電池系統和風力發電系統等所產生的電力。	美國通用、瑞典ABB
美國	經濟效益	1 加州大學戴維斯分校的混合電動汽車研究中心在2010年對動力鋰電池的二次利用和價值分析等方面進行了研究。 2 西北太平洋國家實驗室的Viswanathan 和Kintner-Meyer 研究了動力電池在電網系統中二次利用的經濟效益問題。	加州大學、西北太平洋國家實驗室
美國	技術/商業可行性	Duke能源和Tokyo-based ITOCHU公司籤署一項合作進行的評價和測試的二次利用的電動汽車電池的協議。將這些舊電池利用於補充的家庭能源供應、存儲可再生能源。確定這些二次利用的電池在技術上的可行性和商業可行性。	Duke能源 ITOCHU公司

從我們收集的梯次利用案例來看，在理論研究和示範工程方面較多，在商業化推廣方面，還處在初期的探索階段。

針對梯次利用的商業利益分析和技術可行性分析，已經持續進行了十年以上，相關的研究文章和分析報告也為數不少，已經為產業化的發展積累了一定的理論基礎。

在示範工程方面，大多集中於分布式發電、電網儲能和充電站等，多為中大規模的電池系統，比較適合課題性的研究和成果的展示，在應用方面的探索，還需要更多樣化。

在商業應用方面，家庭儲能、商業儲能、移動電源、應急電源等小型靈活的設備，應該可以儘快的打開市場梯次利用的市場，為企業的發展贏得先機。在本系列文章的第(四)部分，還有針對商業應用領域的進一步分析。

總體來看，梯次利用雖然已經引起政府部門、科研機構、部分企業的關注和研究，但還沒有引起大量的資源投入，屬於「藍海」市場。隨著退役動力電池總量的爆發，這一領域所潛藏的巨大商業機遇，必將引起眾多企業的積極參與和激烈競爭。新的產品、新的技術、新的商業模式，在未來都會層出不窮。

一、 梯次利用的難點與挑戰

針對退役的動力電池，有兩種可行的處理方法，一種是直接作為工業廢品，進行報廢和拆解，提煉其中的原材料，實現原材料的循環利用，這方面已經有一些國內的企業進行商業化運作；另一種方式，則考慮退役的動力電池，雖然已經不滿足汽車的使用條件，但仍然擁有一定的餘能，其壽命並未完全終止，可以用在其他領域作為電能的載體使用，從而充分發揮其剩餘價值。

相對而言，梯次利用更能夠發揮產品的最大價值，實現循環經濟的利益最大化，是更為綠色和環保的做法。但梯次利用所面臨的難題和挑戰也非常的多，如果不能有效解決，就不能實現真正的產業化。

1. 電池拆解

動力電池退役時，是整個pack從車上拆解下來的。不同的車型有不同的電池pack設計，其內外部結構設計，模組連接方式，工藝技術各不相同，意味著不可能用一套拆解流水線適合所有的電池pack和內部模組。那麼，在電池拆解方面，就需要進行柔性化的配置，將拆解流水線進行分段細化，針對不同的電池pack，在制定拆解操作流程時，要儘可能復用現有流水線的工段和工序，以提高作業效率，降低重複投資。

在拆解作業時，不可能完全實現自動化，必然存在大量的人工作業，而pack本身是高能量載體，如果操作不當，可能會發生短路、漏液等各種安全問題，進而可能造成起火或爆炸，導致人員傷亡和財產損失。因此，採取什麼樣的措施和方法，確保電池拆解過程中的安全作業，是梯次利用的一個重點。

2. 剩餘壽命預測

這裡分兩種情況考慮，一種是動力電池在服役期間，其相關運行數據有完整記錄，那麼當梯次利用的廠家拿到這些數據之後，結合電池的出廠數據，可以建立電池模組的簡單壽命模型，能夠大致估算出，在特定運行條件下電池模組的剩餘壽命(根據所設定的終止條件)。

另一種情況就惡劣的多了，動力電池的使用情況並無數據記錄，僅有出廠時的原始數據(如標稱容量、電壓、額定循環壽命等)，使用過程未知，當前狀態未知。當梯次利用的廠家拿到電池後，如何判斷其健康狀態和剩餘壽命呢？這就需要對每個模組進行測試，先明確其當前的健康狀態，然後要根據測試數據和出廠時的原始數據，建立一個對應關係，根據不同的材料體系，大致估算其潛藏的剩餘價值。

第二種情況，梯次利用的成本會提高很多，測試設備、測試費用、測試時間、分析建模等，都會增加不少的成本，導致梯次利用的經濟價值降低。基於有限的數據，對剩餘壽命的預測也是不準確的，這無疑又會增加梯次利用產品的品質風險，使得產品的生命周期成本較高。所以，如何做到快速無損的檢測，是該種情況下梯次利用的關鍵所在。

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3. 系統集成技術

梯次利用，最合理的應該是拆解到模組級，而不是電芯級，因為電芯之間的連接通常都是雷射焊接或其他剛性連接工藝，要做到無損拆解，難度極大，考慮成本和收益，得不償失。

不同批次的電池模組，甚至來自不同廠家的電池模組，如何在同一系統中混用？這裡面有幾個系統集成技術必須著重考慮並解決：

1) 分組技術

需要對不同的電池模組建立資料庫，根據材料體系、容量、內阻、剩餘循環壽命等參數重新分組。分組參數設定要合理，過大不好，模組離散性大，成組為系統後，對系統性能和壽命影響很大；過小也不行，分組過於嚴格，會導致可匹配的模組少，系統集成困難，產品成本很高。

2) 成組技術

什麼類型的電池模組可以成組為系統，這需要結合產品定位和目標市場(高端？中端？低端？)，現有電池模組等級和類型，以及產品開發具體目標(性能，壽命等)，建立一個系統級模型，推算出相關的匹配係數，確定產品的總體方案。

3) 系統柔性設計

這裡有兩個方面需要考慮：系統結構方面，需要充分考慮不同模組可能具有不同的尺寸，重量和串並聯數，那麼系統內部的結構設計應該是在X，Y，Z軸方向都有很大的彈性，以兼容不同的模組，固定方式既要考慮緊固性和可靠性，又要考慮彈性和便於快速裝卸；模組的線束連接方面，多柔性化考慮，做到可快插和快換。

4. 電池管理系統的魯棒性

(鋰)電池管理系統的設計，一直是個世界級的難題，直到目前為止，也沒有哪個公司在這個領域做到相當的成熟，最多實現了產業化而已。針對電池組的優化管理，尚無非常有效的解決方案，因為電芯並不是一個特性比較明確的物理系統，而是一個在不斷變化的化學系統，其各項參數都與運行工況、外部環境、內部劣化速度相關，隨時間在不斷的變化。國外在算法和理論研究方面走的比較早，在工程方面也有深厚積累，所以產業相對成熟。國內在BMS軟硬體研發方面，起步較晚(最近幾年的事情)，理論研究不足，工程應用是小步快跑，整體資源投入不足，各家企業都還沒有非常穩定可靠的解決方案。

在梯次利用領域，BMS所要面對的情況，比汽車領域更為複雜。面對各種化學體系、各種規格和批次、各個生產廠家、各種健康狀態的電池模組，如何進行有效的管理，確保他們在今後的歲月中健康工作，安度晚年？

在硬體方面，應確保BMS的硬體歸一化設計，兼容各種不同的模組，而不必針對不同的模組和產品，開發多種規格的硬體產品。這樣可以簡化BMS的硬體開發、升級和維護，降低產品的成本。在軟體方面，需要做到底層軟體模塊化、標準化和固定化，應用層軟體做到模塊化、標準化和智能化，能夠自適應各種類型的模組，並能夠自我學習，在運行過程中為模組和電芯建立模型，做到智能化的監控、預測、診斷、報警和各類在線服務。軟體的升級可在線進行，並可遠程升級。

5. 成本控制

毫無疑問，成本是梯次利用的最大優勢，也是梯次利用經濟效益的來源。那麼如何做到良好的成本控制，將系統成本做到新電池產品的三分之一，甚至五分之一，將直接決定梯次利用是否能夠發展成為一個龐大的產業。

在原材料環節，如何以較低的成本拿到電池pack，如何降低pack和模組拆解的難度，如何針對不同pack復用流水線和工藝，如何簡化測試，如何建立電池模型等，都會影響後續的產品成本。

在產品開發環節，如上面所講，系統集成是關鍵，電池模組混用、系統柔性化設計、BMS魯棒性設計等，都能有效降低產品物料成本。

在產品的運維環節，如何確定合理的質保年限，做到智能化的管理，遠程診斷和維護等，都會影響產品的生命周期成本。

6. 產業鏈整合

動力電池的梯次利用產業鏈，涉及到用戶(車主或商業運營單位)、車企、動力電池企業、梯次利用企業，如何創造一個共生共贏的產業鏈生態圈，是必須要考慮的。

如果僅僅是後端的梯次利用企業獲利，那麼用戶、車企、以及動力電池企業，就沒有足夠的動力去參與和推動動力電池的梯次利用，產業規模就難以起來。

這既需要政府層面建立相關規範和標準，也需要產業鏈各環節的企業，一起緊密合作，嘗試成立電動汽車後市場的產業聯盟，大家一起來參與，才能推動產業健康發展。

7. 商業模式創新

對於動力電池的梯次利用衍生產品，客戶在知情的情況下，會對產品的性能、壽命、可靠性、安全性等心存疑慮，產品的推廣會存在一定的阻礙。在產品的推廣和應用方面，要充分考慮客戶的現狀和訴求，多種商業運作方式相結合，在充分幫助客戶獲利的基礎上，獲得自己的利益。可充分借鑑其他行業的一些成功經驗，如分期付款、分時租賃、盈利後結算、託管運營、甚至免費供貨(靠後續增值服務)等，探索梯次利用方面的有效商業模式。

二、 可靠性與安全性難題

1. 電芯的容量和內阻離散性

即使經過嚴格篩選的退役電池模組，在重新配對成組為系統之後，由於大多數電芯都已進入生命周期的中後期，其老化(劣化)速度不一，並且情況較剛出廠的電池要惡劣的多，突出表現為容量和內阻的差異越來越大，導致系統在可用容量和充放電功率方面越來越弱，可靠性問題嚴重。

這種老化速度的離散性變化趨勢，嚴重時會使得產品的性能和壽命遠低於預期，增加產品的售後風險。那麼在技術研究上面，除了上述已經談到了的分組和成組技術，還需要結合BMS的智能化管理和電力電子的功率變換技術，通過BMS在運行過程中去「感知」這種變化趨勢，並找出系統的短板，再通過電力電子技術去平衡或彌補「缺陷」，一定程度而言，可以延緩這種加速老化的趨勢，延長使用壽命。

2. 潛在的安全隱患

針對拆借後的電池模組，僅通過目視檢查，是無法發現一些安全缺陷的，如輕微脹氣、漏液、內短路、外殼破損、絕緣失效、極柱腐蝕等。如果這些安全缺陷不被檢查出來，相關模組用到新產品中，那麼會導致新產品存在較為嚴重的安全隱患。採取簡單、快速而有效的檢查措施為拆解後的電池模組進行安全「體檢」，這是非常重要的測試工序。

在新產品運行過程中，BMS仍然承擔著電池「家庭醫生」的角色，必須時刻對安全狀態進行監控，排查隱患，及時採取措施。在梯次利用市場，BMS的安全檢測功能顯得尤為重要，如同人到中年，身體自然不如年輕人那麼健康，及時體檢，能夠發現大多數疾病的前兆。

三、 梯次利用的市場和商業前景

電動汽車動力電池的梯次利用，必須找到適合的市場，並能夠產生良好的經濟效益，這樣才能推動產業化的發展，實現真正的變廢為寶，最大限度的挖掘剩餘價值。

這個市場，不能是遠期的市場，而應該是當前存在的市場，且退役的動力電池在該市場中具備一定的產品競爭優勢，使得該市場中的相關企業有足夠的利益驅動，採用梯次利用的動力電池組作為部件。

經過初步的分析，我們找到了動力電池梯次利用的3個潛在市場，這些市場既有足夠大的規模，也與電池產業息息相關(其主要部件就是電池組)，動力電池的梯次利用技術可以與這些市場實現無縫對接，快速實現產業化。

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1. 電動自行車市場

經過20年的高速發展，中國電動自行車的市場保有量已經超過2億，是私家車200%，摩託車的160%，已成為我國民眾使用最多的交通工具。現在以及未來很長時間，電動自行車仍然是解決城市農民工、三四線城市居民、以及我國廣大農村地區人口交通問題的主要載體。這麼一個龐大的產業，其上下遊產業鏈的年總產值超過2000億，是當之無愧的民生產業。它所帶動的就業、工業產值、GDP貢獻、稅收貢獻等，都是我們無法忽略的。當然，較低的行業門檻，快速增長的市場，也導致行業魚龍混雜，水平參差不齊，市場惡性競爭加劇，再加上售後服務及回收處理不到位，帶來了嚴重的環境汙染問題。

2014年，中國大約生產了2900萬輛電動自行車，較2013年下降了20%，是電動自行車市場第一次較大幅度的負增長。這一現象的背後，其實是中國電動自行車市場走到了行業巨變的路口。行業內的企業經過多年的價格競爭、渠道競爭、終端廝殺之後，雖然實現了部分企業的優勝劣汰，但整體上行業集中度不夠(前十名的市場佔有率有總和不及50%)、產品競爭力不突出、同質化嚴重、核心優勢缺位、品牌價值不高、產品附加值低、增值服務缺失。

隨著人均收入逐步提高，電動自行車市場日趨飽和，以及移動網際網路的日益普及等，消費者在購買電動自行車的時候，會更多的注重品牌、口碑、品質、外觀、性能、智能化等因素，這與我國智慧型手機市場的發展如出一轍。預計接下來市場會有一輪比較慘烈的洗牌，那些注重用戶體驗，開發高性價比產品，產品品質突出，善於利用網際網路樹立口碑並擴大影響的企業，將逐漸勝出，成為市場的領跑者甚至寡頭。產品的發展方向，將是智能化(聯網)、高性能(長續航裡程/高瞬時功率)、高品質、長壽命、以及良好的用戶體驗。

電池無疑是電動自行車的核心部件，當前市場，90%的車型採用鉛酸電池，約有10%的車型採用鋰電池。鉛酸電池的突出優點是價格低，能將整車價格拉低到2000元左右，滿足早期用戶的需求(對價格敏感)。但鉛酸電池作為動力來源，也有其固有的缺陷，如重量大、體積大、循環壽命短、容量衰減快、行駛裡程短、充電慢等。鋰電池與鉛酸電池相比，在壽命、能量密度(行駛裡程)、體積、重量、快速充放電等方面，具有明顯的優勢。近年來，隨著成本的下降，鋰電池在電動自行車領域的應用正呈現良好的增長勢頭。

正是看到了這種市場變革和顛覆的趨勢，李一男帶著牛電科技切入電動自行車市場，試圖複製小米在手機市場的成功模式，以網際網路思維來造電動自行車，快速佔領這個市場。毫無疑問，李一男抓住了一個快走到「風口」的行業，也深刻的理解用戶的「痛點」，同時以「錯維」優勢來參與競爭，萬事俱備只欠東風，就差一個讓市場「尖叫」的產品。

牛電科技第一代產品小牛N1，採用的是松下18650鋰離子電池(與特斯拉電動車的電池同型號)，手提式可拆卸pack設計，整體重量僅為12kg，同樣能量的鉛酸電池一般要50kg的重量。170節2600mAh電池組合起來提供了1560Wh的電量，續航裡程因而達到了驚人的100km。但是價格嘛，也是相當驚人的，4999元(100公裡版)。

小牛N1相對於市場上已有的產品，顯然高了不止一個檔次，雖然不是顛覆性的，但確實有傲視群雄的資本。可是電動自行車面向的用戶群，對價格仍然是比較敏感的，3999和4999元的價格比市場上的普通產品高出50%~100%，無疑也會大大限制產品的推廣和普及。消費者是否願意為了為小牛N1多掏1倍的錢，仍然是未知數。

那麼換個角度考慮，如果採用梯次利用的動力電池呢？

以上數據，僅僅是行業均值的粗略對比，並不是具體廠家的精確數據。從上表可以看出，採用梯次利用的動力電池，可以在價格、行駛裡程(能量密度)、和壽命之間達到一個較好的平衡，從而更快速的推動鋰電池在電動自行車市場的應用。

以2014年的數據為基數，假如有10%的電動自行車採用梯次利用的動力電池組，以每輛車配1kWh的電池組計算，那麼年總需求可以達到290萬kWh(2.9GWh)，與2014年我國電動汽車動力電池總量3.7GWh相去不遠，相關梯次利用的市場規模可達數十億元。

2. 微型電動車市場

這是一個野蠻生長的市場，也是目前監管空白的市場。電動汽車價格高高在上，並不是普通民眾能夠輕鬆承擔得起的，電動自行車又不能擋風遮雨，駕駛和乘坐舒適性無從談起，那麼市場就需要一個這樣的產品，來銜接「低端」的電動自行車和「高端」的電動汽車，這就是微型電動車快速發展的基礎。

微型電動車與電動汽車具有相似的車身構造和技術特徵，因此在產業鏈的大多數環節都是可以共用的。微型電動車價格較低，與廣大基層民眾收入水平、消費升級趨勢、全國道路基礎設施完善相契合，因此微型電動車在我國三四線城市及農村地區大受歡迎。2014年，僅山東地區，微型電動車的產量即超過18萬輛，全國市場接近30萬輛。但微型電動車市場魚龍混雜、相關企業缺乏資質、產品質量低劣、使用重汙染的鉛酸電池等問題，仍然限制了微型電動車的發展。目前市場上的微型電動車，大多售價在5萬左右，車速在40~60公裡/小時，續航裡程低於100公裡，甚至低於80公裡，電池容量衰減很快，安全隱患突出。

在2015年之前，國家發改委、工信部等主管部門雖沒有明令禁止發展微型電動汽車，但是微型電動車不能進入《車輛生產企業及產品公告》，不能上汽車牌照，所以在官方層面仍然屬於受限制行業。可喜的是，從去年以來，地方政府和中央政府已經充分認識到微型電動車的強大市場需求以及行業發展的不健康狀態，正逐步通過國家層面的法律法規和行業標準，以及地方的產業引導政策，將微型電動車納入監管體系，給予其「合法」的身份，促進行業規範有序的發展。

微型電動車的發展，在未來2年將呈現兩條可能的路徑：

1. 車輛達到雙100要求(時速100公裡，續航裡程100公裡)，按照《新建純電動乘用車生產企業投資項目和生產準入管理的暫行規定(徵求意見稿)》，納入純電動乘用車體系

2. 達不到雙100公裡要求的，按照新修訂的國標GB/T 15089《機動車輛及掛車草案》，將作為L6和L7類型的純電動「四輪摩託車」來監管

如果微型電動車達到了雙100公裡要求，且其生產企業具備《規定》所要求的生產資質，該車型將獲得電動乘用車國家補貼和地方補貼。對於企業而言，不但意味著「合法」的身份，也意味著銷量和利潤的大幅度提升，將推動企業獲得更大的發展空間。

2016年，新的純電動及插電式混合動力乘用車的國家補貼標準如下：

從上表可以看出，如果續航裡程達到100公裡，不考慮地方補貼(地方補貼額度不一)，那麼一輛純電動乘用車可以拿到2.5萬元的補貼金額。如果續航裡程達到150公裡，補貼金額則高達4.5萬元。

採用鉛酸電池的微型電動車企業，很難達到此要求(性能和輕量化難以兼顧)，也意味著很難拿到國家和地方補貼。而如果要採用鋰電池包，如果要達到100公裡續航裡程，通常需要10kWh的容量，目前的市場價格超過3萬元，加上電機的升級，以及其他一些成本，很可能沒有多少利潤。

如果採用梯次利用的動力電池呢？成本不到新鋰電池系統的一半，而續航裡程，放電功率等都可以滿足雙100公裡的要求，甚至可以達到150公裡續航裡程的要求。在保持低價的基礎上(扣除補貼後，價格低於5萬)，產品性能得到較大提升(達到純電動乘用車標準)，產品的競爭優勢明顯(性價比高)。

基於以上分析，採用梯次利用的動力電池，可以幫助微型電動車企業進行產業升級，達到純電動乘用車的相關標準，獲得國家及地方財政補貼，拓展企業的發展空間。

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3. 電能存儲(儲能)市場

毫無疑問，這是一個超級大的市場，也是未來能源網際網路的支柱和基石，沒有有效的儲能手段，能源網際網路就是空談。經過多年的政策推動、市場驅動、技術發展、以及成本下降，儲能市場即將渡過黎明前的黑暗，迎來希望的曙光。

Tesla發布Powerwall和Powerpack之後，一個月獲得的訂單超過8億美金，充分說明了市場的強勁需求，以及公眾對低成本長壽命儲能產品的期待，緊隨其後，戴姆勒·奔馳公司也在德國發布了類似的產品，並宣布將在夏季或秋季的時候向市場供貨。整個儲能行業即將在未來幾年走向「風口」，獲得快速的發展。

據CNESA項目庫不完全統計，截至2014年底，全球應用在電力系統的儲能項目(不含抽水蓄能、壓縮空氣儲能及儲熱)累計裝機規模為845.3MW，2014年新增裝機111.6MW，年增長率為15%。其中，中國儲能累計裝機規模達84.4MW，佔全球儲能裝機的10%。

從地域分布上看，無論在項目數量還是裝機規模上，美國均佔據最大比重。截至2014年底，美國已投運儲能項目95個，裝機規模超過357MW。日本在裝機規模上位居第二，接近310MW，中國在項目數量上緊隨美國之後，有63個項目。2014年，美國的新增裝機規模最大，為34.4MW，中國和歐洲分列二、三位，裝機規模分別為31MW和27.7MW。

從技術分布上看，鈉硫電池的裝機比重最大，為40%，其次是鋰離子電池和鉛蓄電池，分別佔33%和11%。2014年，儲能技術新增裝機中，鋰離子電池的佔比最大，為71%，其次是飛輪，佔20%。

從應用分布上看，儲能項目主要集中在可再生能源併網、輔助服務、電力輸配和分布式微網等領域。其中，可再生能源併網領域的佔比最大，為45%，裝機規模為379MW。2014年，應用領域新增裝機中，用戶側領域佔比最大，為43%，其次是輔助服務和電力輸配領域，分別為28%和19%。

未來儲能產品的發展趨勢，應該緊跟市場熱點需求，從解決用戶的實際問題出發，著重從以下幾個方面考慮：

1. 配合分布式發電(風能/太陽能等)，推廣分布式儲能系統，解決分布式發電隨機性波動所面臨的一些列併網難題和調度難題

2. 主幹網及微網系統的供電穩定性問題，調頻調壓問題，緩解輸配電擴容壓力等

3. 用戶側能源管理，移峰填谷，改變用戶的用電曲線，降低用戶的電費成本，這一點對大型高能耗的工業用戶(電解鋁/電解銅/礦產/有色金屬深加工等)尤為重要

4. 配合家庭光伏發電，推廣家用儲能系統，提高自發自用率，在歐美澳等地區，有非常廣闊的市場需求

5. 移動電源，後備電源，應急電源等

事實上，採用新鋰電池組做儲能系統，通常單位成本會高達2000~3000元/kWh，投資回報率偏低，這也是制約儲能產品大規模應用的最大障礙。如果採用他梯次利用的動力電池，其規模化成本遠低於新電池，以美國初創公司FreeWire為例，該公司利用日產leaf的退役動力電池做移動充電車，其相關產品的每度電成本只有 100 美元，折合人民幣600元/kWh。該公司CEO阿卡迪•索西諾夫(Arcady Sosinov)表示，電池產業界要到 2030 年才能達到的成本目標，他們用二手電池壓低成本，現在就已經做到。

Tesla在美國發布Powerwall和Powerpack之後，引起市場的狂熱追捧，價格是一個很重要的因素。可是，經過眾多專家的對比分析，我們知道，Tesla是以低於成本的價格來銷售儲能產品的。我們分析一下Elon Musk的動機，有深刻的理由相信，未來Tesla也會將Model S等電動車的退役動力電池，應用於家庭儲能和商業儲能。到那時候，儲能產品的利潤和經濟價值，才會實現最大化。

根據中國政府的規劃，到2020年時，全國風力發電裝機容量達到200GW，光伏發電裝機容量達到100GW。可再生能源發電配備儲能系統，已經成為一種剛性需求，一般的配比為5%~20%。以此推算，到2020年時，我國僅可再生能源發電市場，就需要15GW以上的儲能系統，以2~4倍的容量/功率比計算，需要30GWh以上的儲能電池規模。

短期來看，梯次利用的動力電池，在家庭儲能、分布式發電、微網、移動電源、後備電源、應急電源等中小型的儲能設備應用領域，會有良好的發展潛力。長期來看，如果一些技術難點得以解決，在大型和超大型的商業儲能和電網級儲能市場，梯次利用也會有廣闊的前景。

實際上，儲能產品的經濟效益測試和商業模式探索，是非常複雜的事情，並不是通過以上簡單的分析就能搞清楚的。但有一點比較明確，採用梯次利用的動力電池，其成本遠低於新的鋰電池組，可以大大降低儲能系統的成本，消除儲能產品大規模應用的最大障礙，帶來更為明顯的經濟效益和社會效益。

八、 總結

對於電動汽車動力電池的梯次利用，國外走的相對快一些，美國、德國和日本已經有不少示範應用的項目，他們在積極探索技術、成本、商業模式等方面的問題和難點，為後續大規模的產業化做儲備。

我國還更多的停留在「研究」階段，學校、科研院所等有組織過理論研究和實驗研究，但配套資金不足，力量分散，進展緩慢，而且鮮有企業在這方面投入資源進行產業化的探索和積累。以我國電動汽車行業的發展速度和規模，未來兩三年，即會迎來動力電池退役的高峰，多達GWh規模的動力電池，將退出汽車市場，並且退役電池總量每年都會呈加速度增長。如何最大限度的利用這些電池的剩餘價值，不單單是環保問題，也是在考驗我國電動汽車後市場的經濟效益和循環效益。

在電動汽車等新型產業領域，我們必須改變過去粗放式的發展模式，不能單純的追求規模化效益，而是應該建立一個更加高效、更加精細的經濟模型，真正實現可持續發展的目標。

誠然，我們還面臨諸多的技術難題，以及在商業模式創新和產業鏈布局方面的挑戰，但可獲得的預期收益，也是相當可觀的。當別人都在困難面前躊躇、猶豫、甚至退縮時，那些敢於迎難而上、銳意進取的企業和團隊，才能在這個目前還不太受人關注，卻潛藏巨大經濟效益的領域，收穫累累的果實。

來源：新能源Leander

作者：夏軍

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