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动力电池全生命周期管理发展到哪一步了?

2021-02-23电动汽车百人会 百人会

作为电动车三电系统的核心部件之一,动力电池一直是电动车的主要成本来源,也是车辆资产价值最高的部件。近年来,随着技术的进步与规模化发展,动力电池成本呈现出较快的下降趋势,但依然是整车的主要成本占比部件。并且,因为动力电池在车端的使用寿命与车辆本身的使用寿命存在错位,在车辆全生命周期内,至少需要更换一次动力电池,其成本占比进一步上升。

电动车电池

而且,作为整车安全的重要部分,动力电池安全问题一直受到关注。再加上电池本身的储能特性可能开拓出新的商业模式等特征,动力电池的全生命周期管理意义重大。一方面,可以通过全生命周期管理来详细跟踪监测电池状态,为产品改进提供依据,并延长电池使用寿命、优化用户体验;另一方面,全生命周期管理也为电池在梯次利用时提供可靠的寿命评估依据,提高回收利用率,充分发挥动力电池的价值。同时,动力电池的全生命周期管理也将促进新商业模式的诞生,如车电分离等。

为研究动力电池全生命周期管理的现状,百人会在2020年组织课题组展开研究,并形成了《动力电池全生命周期资产运营管理研究》报告(以下简称报告)。报告聚焦动力电池全生命周期的关键环节,通过文献综述、企业问卷和实地调研,对与其资产运营管理相关的一些关键领域近年来的技术与模式创新的意义、进展和主要障碍进行了分析与梳理,并提出相关发展建议。

动力电池全生命周期的不同阶段

报告认为,研发生产、车端使用、回收利用是动力电池全生命周期的3个主要环节。

在研发生产阶段,针对动力电池的研发创新基本围绕两个关键点:BMS与动力电池标准化。报告提出,高性能BMS能够提高动力电池资产管理效率,而动力电池标准化发展能够降低生命周期成本。

从市场发展来看,BMS创新技术和标准化动力电池模组均在市场中实现初步应用。随着电动汽车智能网联化发展,无线BMS开始受到重视,主要有CAN与菊花链两种通信方式。与传统BMS通信相比,无线通信的BMS功耗低,可以减少包内线束,便于灵活布置,进而简化结构、减轻重量,从而提高整包能量密度。因此,无线BMS逐渐受到行业关注,报告预计未来5年内应用无线BMS的电动车行有望达到百万两的市场规模。

BMS的三种通信方式示意

图 | BMS的三种通信方式示意(资料来源:公开资料)

动力电池电芯与模组尺寸标准化方面,业内一直在进行尝试。报告认为此标准化经过了三个发展阶段,当前正处于第三阶段,电池标准化模组向大尺寸方向发展,我国动力电池企业在此基础上进一步进行了结构优化,如CTP电池和刀片电池等,进一步降低了电池制造成本。

动力电池模组发展趋势推演

图 | 动力电池模组发展趋势推演(资料来源:中银证券)

在车端使用阶段,报告主要讨论了全生命周期管理与换电模式、V2G模式之间的协同优势以及当前发展状态。报告认为,换电模式与V2G模式均能够充分发挥资源集中管理优势,前者可提高电池资产流动性和全生命周期管理可控性,后者则能够为用户和电网带来直接的经济收益。

目前,国家在政策方面对换电模式支持力度加大,鼓励各地开展应用示范。目前换电领域底盘换电和分箱换电两种技术同步发展,两种技术各有优劣,换电站已经建成超过500座。换电模式生态系统已经形成,车电分离的商业模式也在逐渐成型,如蔚来、北汽新能源、伯坦科技等都在进行探索。

而在V2G方面,地方政府和电力企业也在进行不同的尝试,新能源汽车充电技术设施被纳入“新基建”概念的背景下,V2G示范项目加快了步伐。2020年期间,京津冀等多地围绕V2G技术落地、经济性探索等开展示范。从实际典型案例来看,V2G模式已经初步显现用户经济性。在国网的一个案例中,电动汽车用户已经可以实现充电免费,放电收益在支付充电成本之外,还可支付日常行驶里程耗电量。V2G目前的技术研究则主要集中在电动汽车储能应用、可调度容量以及移动储能对配电网影响和协同控制研究等。

2020年我国部分地区V2G示范项目

图 | 2020年我国部分地区V2G示范项目(不完全统计)

在回收利用方面,我国动力电池进入规模化退役阶段。根据测算,2020-2022年动力电池累计退役量将达到90.5GWh。其中,2020年左右报废动力电池以磷酸铁锂为主,到2022年三元与磷酸铁锂动力电池退役量几乎相同。报告预计2023-2025年三元动力电池报废量将继续增多,但伴随新能源汽车向市场化发展的趋势,低成本、新模组的磷酸铁锂电池将再次得到市场青睐。

2020-2022年我国动力电池退役规模预测

图 | 2020-2022年我国动力电池退役规模预测(资料来源:中国电动汽车百人会测算)

2020-2022年我国磷酸铁锂和三元动力电池退役规模预测

图 | 2020-2022年我国磷酸铁锂和三元动力电池退役规模预测(资料来源:中国电动汽车百人会测算)

目前动力电池回收服务网点初现规模,截至2020年5月31日,共有备案动力电池服务网点7605个,其中汽车经销点和维修点合计占比约达到95%左右。电动汽车区域性的有效推广将拉动回收服务网点的建设,根据报告预测,当地区新能源汽车累计销量在10-30万辆规模时,电池回收网点将达到200-500个,超过30万时,回收服务网点拥有量将达到600-800个。

我国动力电池回收服务网点分类统计

图 | 我国动力电池回收服务网点分类统计(资料来源:SK Innovation)

在梯次利用方面,报告指出,因梯次电池在循环寿命、能量密度方面相较于铅酸电池具有优势,因而其在低速电动车和厂区运输载具领域的应用将初现经济性。报告也对装载铅酸电池、新锂电池和梯次锂电池的电动二轮车3年使用成本测算,梯次磷酸铁锂和三元电池的使用成本均低于铅酸电池。

新铅酸电池与梯次磷酸铁锂电池主要性能参数对比

图 | 新铅酸电池与梯次磷酸铁锂电池主要性能参数对比(资料来源:东方证券)

动力电池全生命周期管理当前存在问题与发展建议

报告分析,在提升动力电池全生命周期运营管理效率的发展中,在政策法规、行业标准、关键技术与商业化应用方面仍存在一些阻碍因素。

政策法规方面,换电模式安全责任界定尚待明确,以进一步明晰资产运营的权责利界限;退役电池回收行业监管力度有待加强,亟需配套政策促进资产流转形成闭环;电池全生命周期信息监管类政策处于空白状态,缺乏对资产管理的有效信息支撑;电动汽车接入电网和峰谷电价激励机制缺失,资产运营效率提升策略失效。

行业标准方面,BMS部分测试标准有待更新完善,提升行业对电池状态评估及资产维护的整体水平;现行国家标准规定的动力电池尺寸种类过多,规模化资产管理挑战重重;换电标准缺失严重,资产广域流通渠道受阻;缺乏“车-桩-网”电流与信息交换相关标准,阻碍电动汽车与电网能量高效互动;电池全生命周期各环节数据标准尚未统一,数据资产整合效率低。

关键技术方面,BMS是电池资产维护管理的核心基础,其关键算法仍需优化;电池控制策略尚未考虑V2G场景,资产网侧应用价值有待进一步挖掘;电池回收行业共性技术待进一步突破,以提升资产剩余价值。

商业化应用方面,电池包标准化在乘用车领域较难形成行业共识,资产运营成本徒增;换电站建设运营成本高,存在一定的业务运营压力;电网智能化改造和电动汽车质保体系缺失,V2G模式提升资产价值效果锐减;电池回收利用行业整体成本仍较高,资产流动性减弱;动力电池数据产品商业化模式尚未形成,数据所有者驱动力不强。

基于此,报告从四个方面提出了发展建议,应通过政策、标准的不断完善来支持技术创新与商业化应用。尤其在政策方面,除了针对换电模式、回收利用等转向法规外,还应该研究制定动力电池全生命周期数据监管政策,并完善终端峰谷电价机制以及与电动汽车的并网监管;标准方面同样要重视全生命周期各环节数据标准,来奠定数据资产流转整合基础。

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