高 亮

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司南京分公司

0 引言

近年來(lái)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)獲得迅速發(fā)展，汽車退役電池的數(shù)量也在顯著增加，而動(dòng)力電池在汽車上退役后，鋰電池直接淘汰將造成極大的稀有金屬資源浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大破壞。退役的動(dòng)力電池（可用容量在20%到80%之間）仍然潛藏巨大的剩余價(jià)值，其容量和功率仍然可以滿足多種儲(chǔ)能場(chǎng)合的需求，如UPS、通信基站、數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)自行車、風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能等應(yīng)用。因此，開展梯級(jí)利用技術(shù)研究，充分發(fā)揮動(dòng)力電池的剩余價(jià)值，是非常有必要的。近幾年，針對(duì)汽車退役電池進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，例如循環(huán)壽命、浮充壽命、一致性、安全性等方面，測(cè)試結(jié)果顯示退役電池的特性適合在移動(dòng)通信行業(yè)應(yīng)用，汽車退役電池的梯級(jí)利用也會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的使用性能研究

為了了解汽車退役電池在梯級(jí)利用時(shí)的不同性能要求，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的使用性能進(jìn)行分析，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用價(jià)值十分可觀，在不久的將來(lái)，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用會(huì)大幅增加。

1.1 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池安全性

1.2 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池使用壽命

電池使用壽命可分為兩大類：浮充壽命與循環(huán)壽命，對(duì)其分別進(jìn)行測(cè)試。在某移動(dòng)通信基站，對(duì)梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的浮充壽命進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池在基站的使用狀況，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，到目前為止已進(jìn)行了17個(gè)月，月平均衰減率為0.15%，以通訊行業(yè)磷酸鐵鋰電池組分立式電池組的標(biāo)準(zhǔn)要求電池壽命以初始容量的80%為壽命終止標(biāo)準(zhǔn)，可預(yù)測(cè)出電池的浮充壽命為20%÷0.15%≈133月，折合年份11年。

對(duì)于梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命，由常溫25℃條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)可看出，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在常溫25℃的條件下，電池循環(huán)壽命性能良好，100% DOD循環(huán)360次后，電池衰減率為4.6%，以通訊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電池壽命以初始容量的80%為壽命終止標(biāo)準(zhǔn)，可預(yù)測(cè)電池的循環(huán)壽命為20%÷4.6%×360≈1565次。

1.3 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池一致性分析

電池一致性的優(yōu)劣直接決定電池放電性能的好壞，同時(shí)也決定電池壽命的長(zhǎng)短。電池的靜態(tài)開路壓差與浮充后的壓差在200mV以下，是可以滿足磷酸鐵鋰電池組分立式電池組的規(guī)定要求，而且電池在BMS的均衡控制策略下，電池的一致性差異會(huì)變得更小，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池可正常應(yīng)用于移動(dòng)通信基站。靜態(tài)開路壓差和浮充24h后壓差的測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表1所示。

表1 靜態(tài)開路壓差和浮充24h后壓差的測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

1.4 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池容量保持率

電池容量保持率測(cè)試是為檢測(cè)梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的自放電性能，電池在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后是否能正常使用。電池在充滿電后，靜置28天后再進(jìn)行電池容量檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。由測(cè)試結(jié)果可知，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的容量保存率為98.24%，即自放電率為1.76%，可得，自放電率小，電池能滿足相關(guān)通信行業(yè)磷酸鐵鋰電池組分立式電池組的標(biāo)準(zhǔn)要求，電池具備可用性。

表2 電池容量檢測(cè)對(duì)比

1.5 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在不同溫度下的充放電性能

電池的充放電性能包括電池的充放電效率、電池放電倍率范圍、溫度對(duì)電池的充放電穩(wěn)定性的影響、電池充放電的電壓平臺(tái)與容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

1.5.1 電池常溫25℃下的充放電倍率分析

梯級(jí)測(cè)試充放電電流倍率范圍0.1C～1C，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出常溫下梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的充放電電流倍率在1C及以下時(shí)，電池均可正常使用，電池電壓平臺(tái)穩(wěn)定，電池可正常充電，可正常提供穩(wěn)定的電流。

1.5.2 電池充放電效率

電池的充放電效率反映電池內(nèi)部活性物質(zhì)反應(yīng)程度，同時(shí)體現(xiàn)電池在充放電能量轉(zhuǎn)換時(shí)的能量損耗。梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在不同溫度下的充放電效率最低也在92%以上，電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，電池環(huán)境適應(yīng)性好。梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在低溫充電時(shí)，建議小電流充電，在-10～0℃以下時(shí)，建議充電電流最大不要超過(guò)0.1C，-10℃以下時(shí)建議電池不要進(jìn)行充電。

圖4（a）為室外環(huán)境俯視圖；圖4（b）為樣板飯周圍建筑及其社區(qū)環(huán)境，即虛擬角色漫游的主要場(chǎng)景；圖4（c）樣板房外部街景，通過(guò)一系列實(shí)物模型展現(xiàn)設(shè)計(jì)效果；圖4（d）為模擬車輛在道路行駛；圖4（e）為室內(nèi)客廳設(shè)計(jì)效果，動(dòng)態(tài)展示智能家居的相關(guān)設(shè)計(jì)理念以及家居設(shè)備的運(yùn)行效果；圖4（f）為智能家居臥室效果，包括相關(guān)動(dòng)畫表現(xiàn)的智能家居設(shè)備工作的狀態(tài)及其細(xì)節(jié)。

1.5.3 電池在不同溫度下放電穩(wěn)定性分析

此項(xiàng)測(cè)試意義在于梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在不同溫度下，能否提供正常而又穩(wěn)定的輸出電流，滿足不同溫度的應(yīng)用工況需求，研究顯示梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在不同溫度下，電池提供的電壓平臺(tái)穩(wěn)定，能穩(wěn)定輸出電流，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池能在不同的溫度場(chǎng)景下使用，即梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

2 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池與開關(guān)電源聯(lián)調(diào)和動(dòng)環(huán)監(jiān)控的匹配

2.1 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池與開關(guān)電源的聯(lián)調(diào)

磷酸鐵鋰電池單體電池標(biāo)稱為3.2V，而在基站開關(guān)電源設(shè)置的浮充電壓是53.5V，即單體充電電壓為3.34V，若以此電池進(jìn)行充電，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池會(huì)存在電池充不滿的現(xiàn)象，因此建議設(shè)置單體電池充電電壓3.45V，即電池組浮充電壓55.2V。具體參數(shù)修改如表3所示。

表3 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池參數(shù)修改表

2.2 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池與動(dòng)環(huán)監(jiān)控的匹配

電池BMS已對(duì)動(dòng)環(huán)監(jiān)控與開關(guān)電源開放通信協(xié)議，通信協(xié)議為Modbus，通信接口為RS485。

3 梯級(jí)磷酸鐵鋰電池運(yùn)營(yíng)模式分析

梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的運(yùn)營(yíng)模式，采用試點(diǎn)具體實(shí)例進(jìn)行探討，并以完全租賃和部分租賃的模式分別進(jìn)行分析，從而得出梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在不同運(yùn)營(yíng)模式下的不同價(jià)值。

3.1 南京宏基站實(shí)例數(shù)據(jù)

利用磷酸鐵鋰電池的高溫性能特性，提高宏基站空調(diào)設(shè)置溫度，減少電費(fèi)開支?；驹扰渲冒凑漳壳般U酸電池的使用規(guī)模，每個(gè)站配置48V/500AH的鉛酸電池，4組電池，浮充備電，空調(diào)環(huán)境溫度設(shè)置為28℃，鉛酸電池的使用壽命為8年，每組48V/500AH鉛酸電池的采購(gòu)費(fèi)用10800元，安裝費(fèi)用1500元。梯級(jí)磷酸鐵鋰電池應(yīng)用后，配置采用同規(guī)格梯級(jí)磷酸鐵鋰電池替換，每個(gè)站配置48V/500AH的梯級(jí)磷酸鐵鋰電池，4組電池，浮充備電，空調(diào)環(huán)境溫度設(shè)置為35℃，電池的使用壽命也為8年，每組48V/500AH梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的租賃費(fèi)用按1.0元/Wh計(jì)算，安裝費(fèi)用1500元，每組梯級(jí)鐵鋰電池采購(gòu)費(fèi)用為8×3.2×500×1=12800元。南京機(jī)房電費(fèi)調(diào)研數(shù)據(jù)：機(jī)房空調(diào)溫度28℃與35℃，一個(gè)月電費(fèi)約節(jié)省1750元。

3.2 不同租賃模式經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)分析

采用完全或半租賃模式，在基站空調(diào)一次性采購(gòu)成本上，南京地區(qū)對(duì)新建基站配置2臺(tái)柜機(jī)空調(diào)，使用梯次電池將在空調(diào)投入成本上減少一半，每個(gè)基站將節(jié)省一半的費(fèi)用開支，折算節(jié)省一次性采購(gòu)?fù)度朐?000元左右。按南京移動(dòng)目前的一千個(gè)基站，每個(gè)基站減少一臺(tái)空調(diào)的投入計(jì)算，可減少一次性總投資達(dá)六百萬(wàn)元左右。此外，采用完全租賃模式，南京移動(dòng)可以省去每年鉛酸電池替換采購(gòu)成本，可減少新購(gòu)鉛酸電池成本達(dá)五百萬(wàn)元左右。

采用完全租賃模式，可完全省去電池投入及維護(hù)費(fèi)用，由年節(jié)省電費(fèi)形式支付電池租賃費(fèi)用，廠家可在投資第四年回本，并開始取得一定經(jīng)濟(jì)效益。采用鉛酸電池部分租賃，鉛酸電池替換成梯級(jí)磷酸鐵鋰電池，電池的差價(jià)由年節(jié)省的電費(fèi)形式支付，廠家可在投資第二年回本，并取得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，租賃模式雙方可以根據(jù)省電情況調(diào)整費(fèi)用及投資回報(bào)年限，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益亦可由雙方共同分享，達(dá)到共贏效果。完全租賃和半租賃模式經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表4所示。

表4 完全租賃和半租賃模式經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

從梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的使用性能與經(jīng)濟(jì)性能方面，闡述汽車退役動(dòng)力電池應(yīng)用于移動(dòng)通信基站電源系統(tǒng)的可行性：（1）在技術(shù)性能上，梯級(jí)磷酸鐵鋰電池的安全性、一致性、使用壽命、充放電性能、容量保存率等方面均能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定的要求；（2）梯級(jí)磷酸鐵鋰電池能與開關(guān)電源進(jìn)行參數(shù)匹配，能實(shí)現(xiàn)正常的后備電源儲(chǔ)能功能，并且電池BMS對(duì)開關(guān)電源與動(dòng)環(huán)監(jiān)控開放通信協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控；（3）對(duì)完全租賃模式與部分租賃模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，均可盈利，即梯級(jí)磷酸鐵鋰電池在移動(dòng)通信基站的應(yīng)用，合作雙方能實(shí)現(xiàn)互利共贏。