解锁退役电动汽车HAWKER蓄电池的价值：电力系统中第二生命能源储存的技术、应用及商业模式

电动汽车（EV）电池的大规模退役带来了双重挑战：一方面管理报废系统，另一方面利用剩余价值提升电力系统的可持续性。由于固定应用的性能需求相对较低，将退役的电动汽车电池改作二档电池储能系统（SL-BESS）是一种具有成本效益的方式，可以延长使用寿命并提升资源效率。本综述系统性评估了SL-BESS有效集成到电力系统所需的技术、运营和制度基础。在此背景下，梯队利用被视为迈向循环电池经济的关键过渡阶段。基于这一视角，超越以往聚焦于可利用性或单一案例评估的研究，本研究综合了三个核心维度：电池管理算法适配、场景驱动部署兼容性以及可扩展的商业模型架构。识别出关键技术障碍，包括单元级不一致、有限的操作数据以及劣化预测的不确定性。讨论了缓解策略，参考了聚类算法、迁移学习和混合物理-数据建模的进展。根据应用特定需求和全球示范项目的证据，评估发电、电网和终端用户细分段的部署适用性。对商业模型进行了结构化分类，包括电池即产品、电池即服务、平台即服务和能源即服务，并与政策框架和性能基准相关联。这种对齐为可扩展的部署路径的开发提供了依据。通过整合控制工程、系统集成和市场设计的视角，本综述为推进电力系统中二档寿命电池应用提供了坚实的分析基础。尽管对该领域的兴趣日益增长，但全面的跨学科研究与合作仍然必要。

简介

交通、建筑和工业等关键领域的全球电气化加速转变，是实现能源转型和脱碳目标的核心[1]。这一转型加剧了对可扩展且可靠储能系统的需求。在现有技术中，锂离子电池因其高能量密度、长周期寿命和成本降低，尤其是在电动汽车（EV）和电网规模应用中，已成为主流解决方案[2]。
然而，这种快速扩张带来了重大风险。锂离子电池高度依赖锂、钴和镍等关键矿物，这些矿物全球供应有限且地理分布较为集中[3]。然而，这类矿物的供应本质上是有限的。如图1所示，国际能源署（IEA）预测，在既定政策情景下，这些资源将在未来十年内不足以满足全球需求。到2050年实现净零排放情景是一个规范性愿景，旨在引导全球能源部门实现净零一氧化碳排放₂到20世纪中叶的排放量[4]。实现这一雄心勃勃的目标将加速因电动车和电网级电池部署而导致的短缺。此外，图2凸显了矿产分布的显著地理失衡，使电池供应链面临地缘政治不确定性。这些挑战共同威胁着能源转型的长期可负担性、可持续性和韧性。
与此同时，预计大量电动汽车电池将在未来几年内达到其首个寿命的终点。如图3所示，《全球电动汽车展望2025》[6]显示，过去十年电动汽车销量激增，大多数牵引电池因容量耗尽和内部电阻增加，使用五到八年后退役。据麦肯锡公司称，到2030年，二期锂离子电池的市场潜力可能超过每年200 GWh[7]。
退役电动汽车电池数量的增加，带来了全球范围内其安全、可持续和经济可行管理的紧迫挑战。由于退役的电动汽车电池通常保留足够的容量以适应要求较低的固定应用，业界和学术界对其再利用表现出越来越大的兴趣，尤其是在电力系统领域。这种做法称为梯队利用，涉及将退役的电动汽车电池重新利用于其他用途。与直接处置或提前回收相比，分层利用为回收退役电动车电池的残值提供了有前景的途径。
如图4所示，当前行业格局既带来了重大机遇，也存在实际障碍。据Element Energy称，二期电池的梯级利用有望将电池储能系统（BESS）的资本成本降低30%-50%，有望吸引电网储能开发商并促进电池循环经济[8]。此外，使用二手电池有助于缓解原材料限制，降低电池材料成本。尽管有这些潜在的双赢优势，但由于技术、监管和经济挑战，它们在电力系统BESS中的部署仍然有限。解决这些挑战对于释放二生电池的全部价值、确保电池寿命更加可持续至关重要。
总之，矿产稀缺和电动汽车电池加速退役这两个挑战，凸显了有效的第二生命策略的必要性。尤其是电力系统，为集成二生电池提供了一个及时且实用的平台。为了充分把握这一机遇，电池行业必须克服与健康状态（SOH）评估、分类和系统集成相关的关键技术障碍。与网格存储开发者的紧密合作对于识别合适的应用场景和建立商业可行的商业模式也至关重要。

近年来，越来越多的文献探讨了电动汽车牵引电池的层级应用。多篇早期综述文章探讨了回收退役电动汽车电池的可行性，并提出了循环电池产业发展的初步愿景。基于对二次生活可行性的全面评估，参考文献[9]提出了修订后的3R策略：重新设计、再利用和回收。该策略为电池回收的下一阶段提供了政策和技术指导。参考文献[10]基于最新的行业报告和技术研究，分析了大规模二档电池部署的技术经济可行性，并强调建立集中式电池寿命数据库以实现准确性能评估的必要性。参考文献[11]将范围扩展到单个电池单元之外，引入了一个系统级框架，将梯级利用整合进循环供应链，旨在提升电动汽车电池生态系统的可持续性。这些研究共同为理解二生电池部署的技术和系统性方面提供了坚实基础。
鉴于梯队利用的技术经济表现与具体应用场景密切相关，多项研究评估了二级生命电池在多种作战环境中的适用性。参考文献[12]将二生电池应用分为三大类，但缺乏对具体场景技术需求的详细综合。参考文献[13]探讨了二档应用的操作限制和设计考虑，尽管分析范围限于家庭存储和工业负载平衡系统。为弥补这一差距，参考文献[14]对六个应用场景和六个性能维度进行了比较评估，强调场景匹配和稳健的风险管理对确保安全部署的重要性。然而，文献中对二档电池特性与电力系统储能应用之间技术兼容性的全面评估仍然较少。
与此同时，大量精力投入于从退役电动车电池向可用二生电池的转型过程，涵盖拆解、检查、分类和重组等多个阶段。大规模梯队使用的一个主要瓶颈是高效且准确地分拣大量退役电池。参考文献[15]针对此问题提出了若干实用解决方案。进一步探讨，参考文献[16]强调，电池分拣的速度和精度不仅对梯队利用性能一致性至关重要，也有助于实现闭环生命周期。引入了两种关键方法：基于弛豫时间分布和机器学习的快速分类法，以及利用电化学阻抗谱（EIS）的无损性方法。参考文献[17]从工艺集成、技术赋能、监管框架和技术瓶颈的角度，全面概述了寿命终结电池评估。重要的是，这项工作讨论了基于细胞间变异的重新组组标准，这对确保安全性和性能至关重要。作为补充，参考文献[18]通过审查测试方法，提出安全状态（SOS）和风险优先级数（RPN）等定量指标，用于层级应用中的风险识别和优先级排序，从而解决了安全风险。
本研究与其他相关综述的比较见表1。简而言之，此前关于牵引电池梯级利用的评估主要集中在对退役电池进行分类和重组的技术可行性。相比之下，管理二档电池储能系统（SL-BESS）所涉及的具体技术挑战则受到有限的系统关注。同样，关于电力系统中可行商业模型的全面分析也大多缺失。这些缺失削弱了投资者信心，阻碍循环电池经济的发展。

本研究通过探讨三个核心维度：电池管理系统（BMS）的控制算法适配、电力系统应用中的场景特定适应性，以及电池商用模型的重建策略，解决了二生电池在电力系统中层级应用的关键研究空白。通过分析近期技术进展和系统集成挑战，本项工作旨在支持退役电动汽车电池在电力系统中实际部署用于储能，从而延长其使用寿命并提升整体生命周期价值。主要贡献如下：

• (1)
  提出了一个循环电池经济的系统级路线图。通过比较电动汽车电池的主流报废处理途径，本研究强调了电力系统中梯级利用的重要性及其在关闭电池生命周期循环中的作用。
• (2)
  系统性回顾了与二生电池BMS控制算法相关的技术挑战及相应补救措施。据我们所知，这是首个明确定义网格集成应用中控制特定问题的研究。所提供的见解支持开发定制BMS设计，提升二期电池部署的技术可行性。
• (3)
  评估了二档电池对多种电力系统场景的适应性，涵盖六个关键维度。本研究结合近期案例研究和试点实施，评估其与发电、电网和需求端应用的兼容性，从而为情景驱动的部署策略提供参考。
• (4)
  研究了潜在的商业模式，重点关注操作简便性和终端用户需求。这些模型根据制造商提供的增值服务进行分类，旨在降低采用门槛，支持可扩展、面向市场的梯队使用。