传播力研究稿件信息
电动汽车退役电池的经济性分析
罗诗然1, 周鹏2 *
(1 澳门城市大学金融学院，澳门，999078；
2上海电力学院 上海市电力材料防护与新材料重点实验室，上海200090)
摘 要：电动汽车退役电池的残余价值是动力电池梯次利用商业化的基础。本文通过构建模型，提出了能快速评估退役电池残值的剩余容量——残值评估法。接着，我们将退役电池重组后用于小规模储能，对分别用于居民和工商业的经济性进行了探讨。最后计算出了收支相抵的最小峰谷差为0.6元，且退役电池只有用于工商业储能才能获得利润。
关键词：退役电池；残值；利润；利润率
Economy Analysis of Retired Batteries from Electric Vehicles
LUO Shi-ran1 and ZHOU Peng2 *
(1. Faculty of Finance, City University of Macau, Macau, 999078, China.
2. Shanghai Key Laboratory of Materials Protection and Advanced Materials in Electric Power, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)
Abstract: The residual value of retired batteries from electric vehicles is the basis of the commercialization of the retired battery second use. In this paper, the residual capacity - residual value evaluation method is proposed to evaluate the residual value of retired battery by constructing the model. After the reorganization, we let the retired battery apply to small-scale energy storage, such as residents and commercial and industrial, in which the economy has been discussed respectively. Finally, we calculated that balance with the minimum peak and valley difference of 0.6 yuan, and in order to obtain profits, the retired battery can be only for commercial and industrial energy storage.
Keywords: Retired batteries; Residual value; Profit; Profit margin
中图分类号：TM991 文献标志码：A
基金项目：教育部规划基金（16YJAZH035）
1. 引言
近年来，全球电动汽车市场正在快速增加，国内电动汽车销量也有着明显的提升。2014 年全球市场共销售353522辆电动汽车，同比增长56.78% [1]；其中，国内纯电动汽车（EV）销量为45048辆，插电式混合电动汽车（PHEV）销量为29715辆[2]；2015年，国内EV销量为247482辆，PHEV销量为83610辆；2016年，我国新能源汽车总计销量51.7万辆 [3]。由此可见，在未来几年，必将有大量锂离子动力电池因容量衰减而退役。由于EV退役时容量处于70%-80%之间[4]，而PHEV退役时容量大约为65%[5]，虽然不能满足在汽车上的使用要求，但仍然可以储存一定的能量，可以二次利用用在其他领域（电动自行车、浏览车、风光储能、削峰填谷及偏远地区分布式供电等）作为电能的载体使用，而如果将电动汽车退役电池作为工业废品，直接进行报废和拆解，是一种对资源的浪费。
美国杜克能源与日本伊藤忠集团着手开展关于电动汽车电池回收利用的评估与测试工作，包括用于家庭能源、储能电站的梯次利用[6]。西北太平洋国家实验室的Viswanathan等人研究了动力电池在电网系统中梯次利用的经济效益问题，为汽车行业提供了宝贵的经验，最大限度地提高了电池的使用价值 [7]。张金国等人建立了梯次利用储能系统的经济效益模型，并引入遗传算法对模型进行优化，最终的算例结果表明，在电动汽车快速充电站配置梯次利用储能系统，可减小变压器容量，能为电网企业带来较好的经济效益[8]。近些年来，虽然国外电动汽车退役电池的梯次利用已取得一定成效，但国内还处于起步阶段，并且，有关残值的经济性评估仍不太明朗。本文在此通过构建模型，从经济性的角度，对退役电池的残值以及成组后梯次利用于储能的利润、利润率进行了一个初步的探讨，以推动我国退役电池梯次利用工作。
2. 计算公式
2.1残值分析
从电动汽车上退役下来的电池，其好坏程度，我们用健康系数（Kh）作为一个指标，定义为
Kh=
×
100% （1）
其中，SOH（健康状态）为电池实际可用容量与额定容量的比值；η是一个介于0-1之间的运营工况系数，由电动汽车正常运行环境（温度、湿度、振动）所决定，η越接近于1表示使用环境与理想环境越相近[4]。Zhang Q.实验表明：在C/33倍率的充放电条件下，循环十个月后，电池单芯在15℃、25℃、35℃、45℃的环境下的容量衰减分别约为8%、19%、55%、88%[9]。由此可知，温度对η的取值起着至关重要的作用。
退役电池的残值用S表示，S与健康系数（Kh），同型号、同容量的新电池包价格（Cnb），使用过的产品的折扣系数（Ku）有关。（根据参考文献[5]，我们将2017年左右退役的电池包Ku取值为75%）。则有
S= Cnb×Kh×Ku （2）
2.2 投资成本分析
拆解处理一吨废旧锂电池成本约为5575元，其中拆解磷酸铁锂电池（LFP）的收益为4000元，即拆解处理LFP成本为1.575元/kg[10]，若回收的LFP质量为M kg，则有
Cd=1.575×M （3）
投资总成本（Tc）为退役电池购置费用即残值（S）、电池测试费用（Ct）、其他费用（CO）以及梯次利用结束后的拆解处理费用（Cd）之和，其中其他费用（CO）主要包括电池储运、筛选、分组、重组、电池管理所产生的费用，于是有
Tc = S + Ct + Co+Cd （4）
由文献[11]可知，电池测试费用Ct=22%×S；其他费用CO=74% ×S。
2.3 梯次利用（储能）总收益分析
在本文中，退役电池经重组后用于小规模储能，利用峰谷电价差来获得收益。以电价分时计费的上海为例，由参考资料[12]可知上海市居民用电表和工商业用电表分别如表1、表2所示。
表1上海市居民用户分时电价表
|
用户分类 |
分档 |
电量水平 |
电价水平（元/千瓦时） |
峰谷差 |
||
|
（千瓦时/户·年） |
未分时 |
分时 |
||||
|
一户一表居民用户 |
第一档 |
0-3120（含） |
0.617 |
峰时段 |
0.617 |
0.310 |
|
谷时段 |
0.307 |
|||||
|
第二档 |
3120-4800（含） |
0.667 |
峰时段 |
0.677 |
0.340 |
|
|
谷时段 |
0.337 |
|||||
|
第三档 |
4800以上 |
0.917 |
峰时段 |
0.977 |
0.490 |
|
|
谷时段 |
0.487 |
|||||
表2 上海市工商业分时电价表
|
用电分类 |
电度电价 |
|||||||||||
|
非夏季 |
夏季 |
|||||||||||
|
不满1千伏 |
10千伏 |
35千伏 |
110千伏及以上 |
不满1千伏 |
10千伏 |
35千伏 |
110千伏及以上 |
|||||
|
|
峰时段 |
1.060 |
1.030 |
1.000 |
|
1.095 |
1.065 |
1.035 |
|
|||
|
单一制 |
谷时段 |
0.506 |
0.476 |
0.446 |
|
0.541 |
0.511 |
0.481 |
|
|||
|
|
峰谷差 |
0.554 |
0.554 |
0.554 |
|
0.554 |
0.554 |
0.554 |
|
|||
|
两部制 |
峰时段 |
1.189 |
1.159 |
1.129 |
1.104 |
1.224 |
1.194 |
1.164 |
1.139 |
|||
|
平时段 |
0.738 |
0.708 |
0.678 |
0.653 |
0.773 |
0.743 |
0.713 |
0.688 |
||||
|
谷时段 |
0.351 |
0.345 |
0.339 |
0.333 |
0.286 |
0.28 |
0.274 |
0.268 |
||||
|
峰谷差 |
0.838 |
0.814 |
0.790 |
0.771 |
0.938 |
0.914 |
0.890 |
0.871 |
||||
其中，峰时段为每日6-22时，谷时段为每日22时-次日6时。若将退役电池用于小规模（3 kWh -7 kWh）储能，谷时段充电，峰时段放电，每日放电深度用DOD表示，若为居民或工商业单一制用电，则梯次利用结束前总收益（I）可以表示为：
× ζ × X 若为上海市工商业两部制用电，考虑到夏季与非夏季峰谷差的差值，梯次利用结束前总收益（I）可以表示为：
I=（
P夏季峰谷差+ 
P非夏季峰谷差）× DOD × 
× ζ × X （6）
ζ为充放电效率，由于锂离子充放电效率可达到95%[13]，故ζ取值为0.9。X表示退役电池含有的总能量，单位（kWh）。
2.4 成组利润、利润率分析
成组利润（P）=I+1000– Tc （7）
成组利润率（ψ）=
×100% （8）
3 算例分析
3.1 参数选择
3.1.1模块电池参数
本文的研究对象来自于某电动汽车上退役的20个磷酸铁锂电池模块（3P3S，单芯20Ah磷酸铁锂电池，额定电压3.2V，标称容量为60Ah），分别将其标记为1-20#。对其残值以及重组后用于储能的经济性进行分析。这二十个模块电池出厂时能够储存的能量为11.52kWh，总质量（M）为148.4kg。
3.1.2计算中需要涉及的其他参数
Zhao Y. 等人（2016年）指出新电池的循环寿命在500-3000次[14]。Vilayanur V. V. 等人（2011年）指出电动汽车每日循环一次，在25℃的环境下，电池容量平均每年衰减4%[15]。故本文在计算中的日历寿命取值为10年，梯次利用循环次数取值为1500次，每日放电深度DOD取值为80%，运行周期为5年。
虽然上海市路况较好，但上海市高温（日最高气温≥35.0℃）日数在2016年为30天，在2017年为35天[16-17]，离设计条件（25℃）相差较大，故运行工况系数η取值为0.8；2017年麦肯锡发布的一份调研报告指出，动力电池的平均成本已下降至227美元/kwh[18]，故在本文中新电池包成本（Cnb）取值为每度电1500元。
3.2 具体计算
3.2.1 残值分析
通过容量标定实验，测试出这二十个退役模块的实际可用容量，并按照从小到大进行排序，最后将这二十个模块电池按容量分为两个Pack（1-10号为一组，11-20为第二组，电量分别为4.23kWh和4.54kWh）分别用于储能，计算储能收益（I）。
若上述3P3S的20个模块电池由车企完成重组，则价格Cnb=1500元/kWh×8.77kWh＝13155元。由公式（1）可得到健康系数Kh，结合公式（2）可算出残值S为4210.95元，即每度电480.15元。由公式（1）——（3）得到的总成本Tc为8487.47元；由公式（4）计算可得两个Pack的拆解回收成本Cd近似约为117元；具体计算如表3所示。
3.2.2 收益分析
由文献[19]可知，上海市对车企回收动力电池，政府给予1000元/每套的奖励。此时通过公式（1）——（8）计算可以求出，居民用电档数与利润、利润率的关系如表6所示。由公式（1）——（5）计算可得，若要达到收支相抵（即收益大于等于0元），峰谷电费差至少为0.60元。
表3 梯次利用模块电池的残值及重组收益分析
