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APC蓄电池考虑退役电动汽车电池梯次利用的多微电网场景下共享储能系统优化配置
来源：快猛电池 发布日期：2026-05-19 20:52:46
在中国“双碳”目标的驱动下，冷热电联供（CCHP）微电网面临突出挑战：独立储能系统成本高昂且利用率低下，同时退役电动汽车（EV）电池的大规模处置带来巨大压力。本文提出一种多微电网场景下共享储能配置的双层优化模型，整合了退役EV电池的梯次利用。上层优化共享储能系统(SESS)的容量及新旧电池混合配比，下层优化冷热电联产(Combined Cooling, Heating and Power, CCHP)装备与SESS的协同运行，以实现高效多性向能源供应。通过四种情景验证了模型有效性：采用混合储能SESS（69.26%退役电动汽车电池与30.74%新电池）可使可再生能源消纳率从75.62%提升至97.16%，微电网年运行成本降低16.42%，投资回收期缩短至2.53年。将退役电动汽车电池应用于SESS时，优先选择衰减率低的退役电池并实施针对性温控设计，可进一步延长SESS使用寿命并提高经济效益。
自2020年"双碳"目标明确提出以来，中国电力行业正面临前所未有的转型机遇与挑战[1]。构建以可再生能源为核心的现代电力体系，已成为推动能源结构优化、实现可持续发展的新方向[2][3]。
本文讨论的冷热电联供(CCHP)系统是一种集供电、供冷、供热能力于一体的微电网系统。该CCHP系统利用风能和太阳能为用户提供电力、热能和冷能。相关学者已对CCHP微电网系统的储能能力配置与调度开展了大量研究。Ghersi等[4]与Wang等[5]针对无储能装置的CCHP微电网开发了优化模型，采用多性向遗传算法和动态规划方法，解决了热-电-冷读档平衡问题，并实现了季节性波动条件下的燃料成本最小化。Roy等[6]与Liu等[7]引入了独立储能配置，通过提出能量管理策略和动态非线性模型，提升了系统峰谷调节性能与可再生能源渗透率。然而，这些研究主要聚焦于经济优化与能量平衡，却普遍忽视了未配置储能时显著的能源波动性、较差的峰谷调节能力以及低可靠性问题[8]。此外，独立储能系统存在初始投资高、利用率低及维护复杂等缺陷[9][10]。Ma等[11]与Liu等[12]进一步指出，此类配置导致资源利用率低下且需密集资本投入，造成投资回收周期延长。综上所述，尽管在冷热电联供系统中独立配置储能可有效提升效率并降低运行成本，但高昂的初始投资与漫长的投资回收期仍阻碍其大规模推广应用。
针对这一现状，学者们提出了共享储能电站（SESS）。该模式通过向多性向用户开放集中式储能设施，允许其根据需求购买使用权与收益权[13]。这种共享模式已在各领域广泛应用，以提高资源利用效率并降低投资成本，因而成为电力系统领域的研究热点[14]。
当前关于共享储能系统(SESS)的研究主要集中在交易机制、容量配置和运行策略三个方面。Zhu等[15]提出了使风电场能够参与日前市场并提供辅助服务的共享运营模式，而Pei等[16]、Kang等[17]和Li等[18]则分别开发了成本分摊方法、协调策略及基于博弈的定价模型，以提升自消纳率和利润最大化。尽管这些研究已证实SESS能够降低能源成本并促进可再生能源消纳[19]，但仍忽视了电池容量衰减[20]、储能系统生命周期结束时电池处置[21]以及退役电动汽车电池系统化应用[22]等关键问题。此外，高昂的初始投资和较长的投资回收期持续制约着SESS的可扩展性与盈利能力[23][24]。退役动力电池因其供应量大、剩余可用容量高且成本低廉，在储能系统中具有显著的应用潜力[25]。
截至2024年底，中国新能源汽车保有量突破3140万辆。2024年全年，中国新注册登记新能源汽车达1125万辆，占国内新注册登记汽车总量的41.83%。从2019年的120万辆到2024年的1125万辆，中国新能源汽车市场实现了迅猛增长[26]。通常情况下，当电动汽车动力电池容量降至初始容量的80%时即需更换，这意味着电池仍具有可观剩余容量可供梯次利用。目前电动汽车动力电池已进入规模化退役阶段。预计到2030年，中国累计退役动力电池将超过350万吨[27]。如何高效环保地处置这些退役电池已成为关键课题。
学者们已开始对退役电动汽车电池展开研究。Lopez等学者探讨了将退役动力电池替代专用于电网存储的新型固定式电池以减少资源消耗的潜力。基于动态物质流分析法，他们论证了该策略能有效降低原生材料需求，从而缓解能源与材料安全问题[28]。Gao研究团队设计了一套并网光伏储能微电网系统，并采用退役电动汽车电池作为储能单元。运行结果表明，退役电动汽车电池的再利用能够满足储能需求，在削峰填谷方面效果显著[29]。Ma等人提出了一种经济与环境效益最优化的退役电动汽车电池处置策略。将退役电池部署于储能系统、通信基站及低速车辆领域，相比直接回收可产生更高利润并降低碳排放[30]。Terkes等人针对退役电动汽车电池用于固定式储能系统所涉及的技术与经济不确定性，研究团队开展了全面调查。其结果表明投资回收期最多可缩短三年，同时电池健康状态提升13%，从而实现可持续的环境与经济效益[31]。前述研究大多集中于市场预测与经济性评估，验证了退役电池应用的经济优势与环境友好特性。必须注意到退役电池使用过程中面临的多重挑战，包括电池健康状态、热管理风险以及标准化协议缺失等问题[32][33]。庄等人开发了系统性框架模型，用于评估退役电动汽车电池在不同二次利用场景下的衰减特性，该模型直接影响退役电池的经济价值，并进一步影响处置策略[34]。陶等人提出了一种生成式学习模型，用于快速、准确且可持续地估算退役电动汽车电池的健康状态（SOH），解决了关键评估与预测应用中数据稀疏性和异质性难题[35]。Farakhor等人针对退役电池储能系统提出了经济最优的电力管理方法，通过考量电池组衰减、能量损耗及退役相关成本等因素实现经济成本最小化[36]。综上所述，将退役动力电池整合至共享储能架构时，需考虑与微电网系统互联的配置方案，充分利用容量互补特性与退化模型。因此相较于直接回收处理，该方法具有更高的资源节约效益与更低的环境影响[37][38]。在配置退役电池用于储能系统时，需优化其容量配比以充分发挥剩余电池寿命的特性，从而获取二次利用的经济性与可持续性优势。同时应加强储能系统的维护、监测及更换机制[39][40]。表1从共享储能系统（SESS）、电池寿命、退役电动汽车电池、梯次利用及多微电网五个维度，将本研究与相关工作进行对比分析。
如图1所示，在传统电动汽车电池生命周期中，当电池容量掉落至初始容量的80%时即被更换，退役电池直接进行火法冶金、湿法冶金或物理回收处理。与之相比，在优化电池生命周期中，退役电动汽车电池将经历梯级利用。当电池容量掉落至初始容量的80%后，经过翻新可应用于低速电动车及储能系统(ESS)。当电池容量衰减至初始容量的40%时，经翻新后可转用于住宅储能系统。仅当容量降至初始容量的20%时，电池才会被送往火法冶金、湿法冶金或物理回收环节[30]。本研究中，退役电动汽车电池通过拆解、筛选、检测与重组等翻新流程处理后，其在储能系统中的应用可显著降低初始投资成本。
基于上述研究，我们提出一种适用于多微网场景下退役电动汽车电池在季节性储能系统中应用的双层规划模型（如图1所示）。上层模型以季节性储能系统的配置容量作为优化变量，在确保微电网系统稳定运行的前提下，实现微电网群与季节性储能系统总成本的最小化。下层模型在既定储能容量的约束条件下，优化各类设备与季节性储能系统的协调出力，实现冷、热、电负荷的精准Match与高效供应。考虑到季节性储能系统的安全稳定运行，我们建立了新旧电动汽车电池混合储能的配置模式。如图2所示，在季节性储能系统内部，新旧电动汽车电池组并非直接并联运行。相反，它们被配置为独立的组群，每组均独立连接至母线并自主管理。具体而言，每个电池组通过专用的双向DC/DC变换器与母线相连，并配备独立的电池管理系统（BMS）。该架构实现了对各组电压与电流的精确独立控制[41]。此外，在BMS层面，退役动力电池与全新动力电池分别采用差异化的温度管理策略和老化补偿算法，从而确保系统的整体安全性与运行可靠性。在上层目标函数中，由于新/旧动力电池的生命周期衰减模型存在差异，且退役电池的维护更换成本更高，因此可据此确定储能系统的最优容量配置与混合比例。
本研究的创新性在于提出了一种考虑退役电动汽车电池梯次利用的多微电网系统SESS优化配置方案。上层优化配置储能系统容量，下层则优化各微电网系统的供热、供冷与供电。主要贡献如下：
(1) 建立了考虑容量衰减、温度效应与放电深度的退役电动汽车电池退化模型，提出新电池与退役电池混合配置策略，实现了退役电池在SESS中安全高效的梯次利用。
(2) 针对多微网场景提出新旧电池混合结构的SESS模式。通过服务共享机制，显著降低了SESS初始投资成本与微电网运行成本，同时提升了可再生能源消纳率。
构建双层优化模型，其中上层优化SESS的容量配置与混合比例，下层执行多微电网设备与SESS的协同调度。该模型实现了多微网冷热电供需平衡与系统最优经济性。
引言
本文讨论的冷热电联供(CCHP)系统是一种集供电、供冷、供热能力于一体的微电网系统。该CCHP系统利用风能和太阳能为用户提供电力、热能和冷能。相关学者已对CCHP微电网系统的储能能力配置与调度开展了大量研究。Ghersi等[4]与Wang等[5]针对无储能装置的CCHP微电网开发了优化模型，采用多性向遗传算法和动态规划方法，解决了热-电-冷读档平衡问题，并实现了季节性波动条件下的燃料成本最小化。Roy等[6]与Liu等[7]引入了独立储能配置，通过提出能量管理策略和动态非线性模型，提升了系统峰谷调节性能与可再生能源渗透率。然而，这些研究主要聚焦于经济优化与能量平衡，却普遍忽视了未配置储能时显著的能源波动性、较差的峰谷调节能力以及低可靠性问题[8]。此外，独立储能系统存在初始投资高、利用率低及维护复杂等缺陷[9][10]。Ma等[11]与Liu等[12]进一步指出，此类配置导致资源利用率低下且需密集资本投入，造成投资回收周期延长。综上所述，尽管在冷热电联供系统中独立配置储能可有效提升效率并降低运行成本，但高昂的初始投资与漫长的投资回收期仍阻碍其大规模推广应用。
针对这一现状，学者们提出了共享储能电站（SESS）。该模式通过向多性向用户开放集中式储能设施，允许其根据需求购买使用权与收益权[13]。这种共享模式已在各领域广泛应用，以提高资源利用效率并降低投资成本，因而成为电力系统领域的研究热点[14]。
当前关于共享储能系统(SESS)的研究主要集中在交易机制、容量配置和运行策略三个方面。Zhu等[15]提出了使风电场能够参与日前市场并提供辅助服务的共享运营模式，而Pei等[16]、Kang等[17]和Li等[18]则分别开发了成本分摊方法、协调策略及基于博弈的定价模型，以提升自消纳率和利润最大化。尽管这些研究已证实SESS能够降低能源成本并促进可再生能源消纳[19]，但仍忽视了电池容量衰减[20]、储能系统生命周期结束时电池处置[21]以及退役电动汽车电池系统化应用[22]等关键问题。此外，高昂的初始投资和较长的投资回收期持续制约着SESS的可扩展性与盈利能力[23][24]。退役动力电池因其供应量大、剩余可用容量高且成本低廉，在储能系统中具有显著的应用潜力[25]。
截至2024年底，中国新能源汽车保有量突破3140万辆。2024年全年，中国新注册登记新能源汽车达1125万辆，占国内新注册登记汽车总量的41.83%。从2019年的120万辆到2024年的1125万辆，中国新能源汽车市场实现了迅猛增长[26]。通常情况下，当电动汽车动力电池容量降至初始容量的80%时即需更换，这意味着电池仍具有可观剩余容量可供梯次利用。目前电动汽车动力电池已进入规模化退役阶段。预计到2030年，中国累计退役动力电池将超过350万吨[27]。如何高效环保地处置这些退役电池已成为关键课题。
学者们已开始对退役电动汽车电池展开研究。Lopez等学者探讨了将退役动力电池替代专用于电网存储的新型固定式电池以减少资源消耗的潜力。基于动态物质流分析法，他们论证了该策略能有效降低原生材料需求，从而缓解能源与材料安全问题[28]。Gao研究团队设计了一套并网光伏储能微电网系统，并采用退役电动汽车电池作为储能单元。运行结果表明，退役电动汽车电池的再利用能够满足储能需求，在削峰填谷方面效果显著[29]。Ma等人提出了一种经济与环境效益最优化的退役电动汽车电池处置策略。将退役电池部署于储能系统、通信基站及低速车辆领域，相比直接回收可产生更高利润并降低碳排放[30]。Terkes等人针对退役电动汽车电池用于固定式储能系统所涉及的技术与经济不确定性，研究团队开展了全面调查。其结果表明投资回收期最多可缩短三年，同时电池健康状态提升13%，从而实现可持续的环境与经济效益[31]。前述研究大多集中于市场预测与经济性评估，验证了退役电池应用的经济优势与环境友好特性。必须注意到退役电池使用过程中面临的多重挑战，包括电池健康状态、热管理风险以及标准化协议缺失等问题[32][33]。庄等人开发了系统性框架模型，用于评估退役电动汽车电池在不同二次利用场景下的衰减特性，该模型直接影响退役电池的经济价值，并进一步影响处置策略[34]。陶等人提出了一种生成式学习模型，用于快速、准确且可持续地估算退役电动汽车电池的健康状态（SOH），解决了关键评估与预测应用中数据稀疏性和异质性难题[35]。Farakhor等人针对退役电池储能系统提出了经济最优的电力管理方法，通过考量电池组衰减、能量损耗及退役相关成本等因素实现经济成本最小化[36]。综上所述，将退役动力电池整合至共享储能架构时，需考虑与微电网系统互联的配置方案，充分利用容量互补特性与退化模型。因此相较于直接回收处理，该方法具有更高的资源节约效益与更低的环境影响[37][38]。在配置退役电池用于储能系统时，需优化其容量配比以充分发挥剩余电池寿命的特性，从而获取二次利用的经济性与可持续性优势。同时应加强储能系统的维护、监测及更换机制[39][40]。表1从共享储能系统（SESS）、电池寿命、退役电动汽车电池、梯次利用及多微电网五个维度，将本研究与相关工作进行对比分析。
如图1所示，在传统电动汽车电池生命周期中，当电池容量掉落至初始容量的80%时即被更换，退役电池直接进行火法冶金、湿法冶金或物理回收处理。与之相比，在优化电池生命周期中，退役电动汽车电池将经历梯级利用。当电池容量掉落至初始容量的80%后，经过翻新可应用于低速电动车及储能系统(ESS)。当电池容量衰减至初始容量的40%时，经翻新后可转用于住宅储能系统。仅当容量降至初始容量的20%时，电池才会被送往火法冶金、湿法冶金或物理回收环节[30]。本研究中，退役电动汽车电池通过拆解、筛选、检测与重组等翻新流程处理后，其在储能系统中的应用可显著降低初始投资成本。
基于上述研究，我们提出一种适用于多微网场景下退役电动汽车电池在季节性储能系统中应用的双层规划模型（如图1所示）。上层模型以季节性储能系统的配置容量作为优化变量，在确保微电网系统稳定运行的前提下，实现微电网群与季节性储能系统总成本的最小化。下层模型在既定储能容量的约束条件下，优化各类设备与季节性储能系统的协调出力，实现冷、热、电负荷的精准Match与高效供应。考虑到季节性储能系统的安全稳定运行，我们建立了新旧电动汽车电池混合储能的配置模式。如图2所示，在季节性储能系统内部，新旧电动汽车电池组并非直接并联运行。相反，它们被配置为独立的组群，每组均独立连接至母线并自主管理。具体而言，每个电池组通过专用的双向DC/DC变换器与母线相连，并配备独立的电池管理系统（BMS）。该架构实现了对各组电压与电流的精确独立控制[41]。此外，在BMS层面，退役动力电池与全新动力电池分别采用差异化的温度管理策略和老化补偿算法，从而确保系统的整体安全性与运行可靠性。在上层目标函数中，由于新/旧动力电池的生命周期衰减模型存在差异，且退役电池的维护更换成本更高，因此可据此确定储能系统的最优容量配置与混合比例。
本研究的创新性在于提出了一种考虑退役电动汽车电池梯次利用的多微电网系统SESS优化配置方案。上层优化配置储能系统容量，下层则优化各微电网系统的供热、供冷与供电。主要贡献如下：
(1) 建立了考虑容量衰减、温度效应与放电深度的退役电动汽车电池退化模型，提出新电池与退役电池混合配置策略，实现了退役电池在SESS中安全高效的梯次利用。
(2) 针对多微网场景提出新旧电池混合结构的SESS模式。通过服务共享机制，显著降低了SESS初始投资成本与微电网运行成本，同时提升了可再生能源消纳率。
构建双层优化模型，其中上层优化SESS的容量配置与混合比例，下层执行多微电网设备与SESS的协同调度。该模型实现了多微网冷热电供需平衡与系统最优经济性。
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