張智峰，郭 翔，馬翼飛，魏 巍，黃 辰

（1.鐵塔能源有限公司 江蘇分公司，江蘇 南京 210000；2.中國(guó)鐵塔股份有限公司 江蘇省分公司，江蘇 南京 210000；3.中國(guó)鐵塔股份有限公司 徐州市分公司，江蘇 徐州 221000；4.中國(guó)鐵塔股份有限公司 鎮(zhèn)江市分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

中國(guó)鐵塔作為動(dòng)力退役電池梯次利用的主要承載者，2018—2020年底在通信基站儲(chǔ)能備電應(yīng)用場(chǎng)景中累計(jì)部署退役電池梯次應(yīng)用規(guī)模達(dá)12 GW·h，約100 000 t，年度總消納量約為動(dòng)力電池退役市場(chǎng)規(guī)模的20%。同時(shí)，鐵塔能源在全國(guó)268個(gè)城市開展針對(duì)外賣、快速物流的低速電動(dòng)車換電服務(wù)，截至2022年5月共部署網(wǎng)點(diǎn)超50 000個(gè)，服務(wù)用戶已達(dá)70萬(wàn)人，投入換電電池約100萬(wàn)只。預(yù)計(jì)至2022年底換電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模將擴(kuò)大1倍，同時(shí)為了保證換電電池性能在市場(chǎng)中有良好的使用口碑，屆時(shí)每年的退役換電電池約有50萬(wàn)只，約0.6 GW·h，消納市場(chǎng)空間巨大。中國(guó)鐵塔在換電電池梯次利用方面同樣積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池根據(jù)車型及市場(chǎng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，退役下來(lái)的各類電池存在電壓、容量、尺寸不統(tǒng)一的問(wèn)題，如果要在通信基站48 V電源備電系統(tǒng)中梯次利用，就需要重新分組與組裝[1]。鐵塔換電動(dòng)力電池基礎(chǔ)電壓有48 V與60 V兩種規(guī)格，這與通信基站基礎(chǔ)電壓一致或接近，且換電用動(dòng)力電池每節(jié)都配置有獨(dú)立的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），這就使得退役后的換電電池具有了整包梯次利用的可能。

單組換電電池整包梯次利用與傳統(tǒng)的電芯重組和電池模組重新拼裝方式的梯次利用模式相比，平均節(jié)省約40%改造成本。由于每組電池都自帶BMS系統(tǒng)，在基站備電應(yīng)用時(shí)主要考慮電池組間的均衡性即可。整包利用的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)應(yīng)用更成熟，維護(hù)操作更加簡(jiǎn)化、快捷，預(yù)計(jì)將會(huì)成為中小容量通信局站的主要備電方式。筆者收集整理了一些具有代表性的話題，并根據(jù)實(shí)踐中的應(yīng)用體會(huì)和研究結(jié)果對(duì)換電電池梯次利用在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步闡述。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)選擇

換電電池梯次利用首先需要保證梯次使用電池本身的安全性，其次要確保通信系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性，最后需要兼顧方案的經(jīng)濟(jì)性。只有在滿足這3點(diǎn)的前提下才能開展應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，否則就失去其存在的意義。對(duì)于提及的梯次應(yīng)用模式，其安全保證機(jī)制是利用退役換電電池自帶的BMS與通信局站原有BMS共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)。電池?zé)o需拆解重組，直接整包并入原通信電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利舊、共享通信局站現(xiàn)有開關(guān)電源柜、直流供電系統(tǒng)。

不同系統(tǒng)容量的應(yīng)用場(chǎng)景需采用不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。針對(duì)小容量備電場(chǎng)景，例如5G微站、通信室分站點(diǎn)等，可以采用單組整包梯次利用；針對(duì)中等容量備電場(chǎng)景，例如通信基站、接入網(wǎng)、模塊局等，則應(yīng)采用多組換電電池與局站電源設(shè)備疊加的方式；針對(duì)大容量的儲(chǔ)能備電場(chǎng)景，例如通信匯聚、節(jié)點(diǎn)機(jī)房等，則需另行考慮設(shè)計(jì)。

2 換電電池組梯次利用

2.1 換電電池基本特性

二輪電動(dòng)車和三輪電動(dòng)車換電電池電芯正極材料多為三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等，中國(guó)鐵塔考慮電池的安全性與低溫適應(yīng)性，使用的換電電池為磷酸鐵鋰電池與錳酸鋰電池[2]。換電電池容量規(guī)格有20 Ah、25 Ah、30 Ah，電壓等級(jí)分別為 48 V 和 60 V，對(duì)應(yīng)標(biāo)稱電壓分別為51.2 V和64 V。其中，48 V電池組由16只3.2 V單體電池串聯(lián)組成，60 V電池組由20只單體電池串接組成。單體電池充電電壓為3.50～3.65 V，放電電壓為2.5～2.7 V。鐵塔換電電池退網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)達(dá)到1 200次、累計(jì)使用時(shí)長(zhǎng)達(dá)到3年或有效容量低于額定容量的80%，達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)即可進(jìn)入退役狀態(tài)[3]。

2.2 換電電池BMS

為了保證鋰電池組和單體電池安全、可靠工作，每組換電電池均配有BMS。系統(tǒng)由采集電路、監(jiān)測(cè)電路、通信電路、保護(hù)電路、控制電路、熱管理裝置以及電氣裝置等組成，其基本管控邏輯有自檢、電芯壓差、荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）估算等[4]。

2.3 換電電池BMS診斷、保護(hù)機(jī)制

利用換電電池BMS采集換電電池組總電壓、單體電壓、實(shí)時(shí)電量、充放電電流、電池溫度以及環(huán)境溫度等參數(shù)，監(jiān)控?fù)Q電電池組充、放電環(huán)節(jié)中各項(xiàng)性能指標(biāo)，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)有效進(jìn)行告警和保護(hù)處置。同時(shí)，BMS通過(guò)RS485通信、5G無(wú)線通信或藍(lán)牙通信向系統(tǒng)平臺(tái)上報(bào)信息，包括電池SOC、電池健康度、電池循環(huán)次數(shù)、電池可用度以及故障日志等[5]。具體診斷項(xiàng)目、指標(biāo)閾值與保護(hù)動(dòng)作信息如表1所示。

表1 BMS診斷主要內(nèi)容

3 梯次利用電池組篩選與入網(wǎng)檢測(cè)

3.1 篩選與檢測(cè)原則

退役換電電池整包梯次利用需要先完成對(duì)備選電池的篩選與甄別，其基本原則包括以下3點(diǎn)：一是優(yōu)先選擇同一廠家生產(chǎn)的化學(xué)成分相同、類型相同、結(jié)構(gòu)相同以及規(guī)格尺寸相近的電池組；二是優(yōu)先選擇有效容量相同或接近的電池組；三是優(yōu)先選擇循環(huán)使用次數(shù)接近的電池組進(jìn)行重新配對(duì)組合。

3.2 檢測(cè)儀器儀表及精度要求

常用退網(wǎng)換電電池的檢測(cè)儀器或儀表包括5種：一是電壓表、電流表，其精度不低于0.5級(jí)；二是恒流源，電流連續(xù)可調(diào)，在放電或充電過(guò)程中其電流變化應(yīng)在±1%范圍內(nèi)；三是恒壓源，電壓連續(xù)可調(diào)，其電壓變化應(yīng)在±0.5%范圍內(nèi)；四是點(diǎn)溫計(jì)或溫度計(jì)，精度不低于±1 ℃；五是電池充放電測(cè)試儀，電壓輸出和檢測(cè)精度不低于±0.5%，電流輸出和檢測(cè)精度不低于±0.1%[6]。

3.3 梯次電池入網(wǎng)檢測(cè)內(nèi)容及要求

梯次電池入網(wǎng)檢測(cè)內(nèi)容包括電池組外觀與殼體狀態(tài)檢查、電池組一致性檢測(cè)、電池組安全性能檢測(cè)、抗電強(qiáng)度檢測(cè)、絕緣電阻檢測(cè)以及BMS性能檢測(cè)等。其中，外觀、殼體檢查使用目測(cè)法，應(yīng)確保殼體完整完好。BMS性能檢測(cè)方法通過(guò)上位機(jī)軟件檢查確認(rèn)數(shù)據(jù)采集功能是否正常，利用上位機(jī)軟件或設(shè)備儀表分別模擬或調(diào)整相關(guān)參數(shù)與狀態(tài)，檢查診斷、上報(bào)功能是否正常。電池組一致性檢測(cè)方法包括6種，具體如下。

（1）電池組靜態(tài)開路電壓差檢測(cè)方法。電池組充滿電后靜置1 h，測(cè)量電池組內(nèi)各單體電池的靜態(tài)開路電壓，記錄電壓偏差，要求單體電池之間的靜態(tài)開路電壓最大值與最小值的差值應(yīng)小于等于50 mV。

（2）在線狀態(tài)電壓差檢測(cè)方法。電池組充滿電后靜置1 h，繼續(xù)以充電限制電壓充電24 h后測(cè)量電池組內(nèi)各單體電池的充電電壓，記錄電壓偏差，要求單體電池之間的端電壓最大值與最小值的差值應(yīng)小于等于 50 mV。

（3）放電狀態(tài)電壓差檢測(cè)方法。電池組充滿電后靜置1 h，以1.0I1A電流放電至終止電壓，每隔1 h測(cè)量電池組內(nèi)各單體電池的電壓，記錄電壓差，直至電池組終止電壓，單體電池之間的端電壓最大值與最小值的差值應(yīng)小于等于300 mV。

（4）單體內(nèi)阻差檢測(cè)方法。電池組充滿電后靜置1 h，測(cè)量電池組內(nèi)各單體電池的內(nèi)阻，計(jì)算內(nèi)阻偏差，要求小于等于±6%。

（5）單體容量差檢測(cè)方法。電池組充滿電后靜置 1 h，在 25 ℃ ±2 ℃的環(huán)境中，以 1.0I1A 放電至所有單體電池終止電壓2.7 V，要求電池組內(nèi)各電池之間容量最大值、最小值與平均值的差值不超過(guò)±1%。

（6）循環(huán)壽命檢測(cè)方法。使用上位機(jī)軟件讀取電池組循環(huán)使用次數(shù)并記錄，要求與梯次利用的電池組的循環(huán)使用次數(shù)接近。

4 梯次備電電源系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)換電電池基本特性、使用工況以及自管理系統(tǒng)的分析，可知每組換電電池在BMS的監(jiān)測(cè)、控制下為實(shí)現(xiàn)多組換電電池匯流并接提供了條件。

4.1 小容量整包利用系統(tǒng)

整包應(yīng)用模式是針對(duì)直流負(fù)荷小于20 A的備電場(chǎng)景，將48 V退役電池直接跨接在直流母線上。小容量的應(yīng)用場(chǎng)景，例如微站、視頻監(jiān)控點(diǎn)位等，使用單節(jié)48 V換電電池進(jìn)行梯次利用即可，不存在梯次利用電池間的均衡性問(wèn)題，對(duì)原電源系統(tǒng)無(wú)需做任何改造。原直流開關(guān)電源系統(tǒng)只負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的電壓、電流輸出即可，不負(fù)責(zé)電池的充放電管理。電池的內(nèi)部監(jiān)測(cè)與充放電管理由梯次電池自帶的BMS系統(tǒng)自行處理，BMS系統(tǒng)對(duì)梯次電池提供過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)以及過(guò)溫保護(hù)等功能，監(jiān)測(cè)退役換電電池運(yùn)行環(huán)境及每個(gè)電芯的狀態(tài)并上報(bào)監(jiān)控平臺(tái)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與安全性[7]。小功率應(yīng)用場(chǎng)景下的48 V換電電池整包梯次應(yīng)用系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 小功率應(yīng)用場(chǎng)景下的48 V換電電池整包梯次應(yīng)用系統(tǒng)

4.2 中等容量電源疊加系統(tǒng)

針對(duì)直流負(fù)載介于50～200 A的中等容量備電場(chǎng)景，需采用不同材質(zhì)、不同電壓等級(jí)、不同容量、不同新舊程度的全兼容電池合路模式。從應(yīng)用角度出發(fā)，梯次利用電源系統(tǒng)還應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性、易用性等。電池配組時(shí)可以在省域范圍內(nèi)對(duì)退役換電電池進(jìn)行分類篩選，最大限度保持系統(tǒng)內(nèi)電池基本屬性的一致性。從系統(tǒng)兼容性出發(fā)，設(shè)計(jì)需滿足適用性強(qiáng)，支持所有電池接入，各路電池均由獨(dú)立的控制回路進(jìn)行管理，并統(tǒng)一接受系統(tǒng)的調(diào)度管理。系統(tǒng)架構(gòu)滿足簡(jiǎn)單易用原則，即不對(duì)原基站通信電源系統(tǒng)做任何改變，不需要改變?cè)瓊潆姌?gòu)架和充放電策略。此外，單組梯次換電電池的管理仍由原電池BMS板進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。通過(guò)對(duì)單組電池增加自適應(yīng)雙向直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電源管理模塊，實(shí)現(xiàn)不同類型、不間容量、不同電壓等級(jí)的新舊電池混搭使用。這里的新電池指機(jī)房已部署鐵鋰或鉛酸電池，舊電池指換電梯次利用電池。中等功率應(yīng)用場(chǎng)景下的電池疊加系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 中等功率應(yīng)用場(chǎng)景下的電池疊加系統(tǒng)架構(gòu)

4.3 電池組均衡性控制

對(duì)于換電電池梯次利用，業(yè)界關(guān)注最多的就是系統(tǒng)電池間的均衡性控制問(wèn)題。電池疊加系統(tǒng)各電池間的均衡性控制由雙向DC/DC模塊及控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線控制實(shí)現(xiàn)，對(duì)不同或相同電壓等級(jí)的換電梯次電池前設(shè)置雙向DC/DC模塊，各雙向DC/DC模塊相互獨(dú)立工作。各DC/DC模塊通過(guò)RS485讀取被接入換電電池的BMS信息，進(jìn)行對(duì)應(yīng)電池的限流、調(diào)壓、均流等充放電智能管理和保護(hù)。同時(shí)，各DC/DC模塊間的通信由CAN總線進(jìn)行自動(dòng)地址分配并設(shè)定主模塊，主模塊需實(shí)現(xiàn)均流管理、協(xié)同管理、電池信息交互以及向局站動(dòng)環(huán)監(jiān)控單元（Field Supervision Unit，F(xiàn)SU）上報(bào)所有電池組信息至監(jiān)控平臺(tái)。中位機(jī)檢測(cè)母線電壓，并通過(guò)CAN總線控制每路DC/DC模塊的充放電行為。

對(duì)于具體的均衡性控制，采用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。放電過(guò)程中均衡器差分電流分配功能自動(dòng)調(diào)整每塊電池的放電電流，按需放電，容量大、電壓高的電池多放電，容量小、電壓低的電池少放電。這種放電策略可以有效防止低容量電池過(guò)放電，達(dá)到保護(hù)低容量電池的目的，同時(shí)大容量電池的電量得到徹底釋放，實(shí)現(xiàn)電池組的最佳放電。由于大容量電池的電量得到完全釋放，因此放電時(shí)間明顯延長(zhǎng)。在均衡放電機(jī)制下，對(duì)于衰減個(gè)體有明顯的改善，控制了過(guò)放電的情況發(fā)生，對(duì)性能衰減電池提供了最大限度的保護(hù)。充電過(guò)程中均衡器自動(dòng)識(shí)別衰減電池并降低其充電電流，減少的充電電流主要分配給相鄰的電池，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按需充電[8]。電池均衡性控制原理如圖3所示。

圖3 電池均衡性控制原理

4.4 電源系統(tǒng)充放電管理

電池疊加系統(tǒng)充放電管理模式為通過(guò)雙向DC/DC管理模塊中的上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)母線電壓，當(dāng)整流回路出現(xiàn)異常后，梯次電池由浮充模式轉(zhuǎn)為放電工作模式，為負(fù)載供電至放電中止或整流回路恢復(fù)正常。當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)存在電池（鉛酸/鐵鋰電池）和梯次電池時(shí)，由雙向DC/DC控制單元設(shè)置優(yōu)先放電方式。系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)母線側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)母線電壓恢復(fù)到設(shè)置電壓值時(shí)，DC/DC控制模塊再次轉(zhuǎn)為充電模式。雙向DC/DC控制單元通過(guò)檢測(cè)梯次電池BMS系統(tǒng)確認(rèn)梯次電池狀態(tài)正常后，控制單元啟動(dòng)工作，每路DC/DC模塊根據(jù)電池信息及電池容量SOC要求進(jìn)行充電管理。電池疊加系統(tǒng)充放電管理流程如圖4所示。

圖4 電池疊加系統(tǒng)充放電管理流程

5 結(jié) 論

退役換電電池因電壓與通信局站基礎(chǔ)電壓一致或接近，同時(shí)換電電池自帶獨(dú)立完善的BMS電池管理系統(tǒng)，為其在通信基站備電場(chǎng)景下整包利用提供了可能。整包利用的電源系統(tǒng)無(wú)需對(duì)基站內(nèi)原電源系統(tǒng)進(jìn)行改造，只需疊加DC/DC電源模塊即可，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)應(yīng)用更成熟、維護(hù)操作更加簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)。重點(diǎn)說(shuō)明了換電電池梯次利用系統(tǒng)針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方案選擇以及不同應(yīng)用方案關(guān)注點(diǎn)，根據(jù)單組換電電池基本特性，提出退役換電電池梯次利用篩選內(nèi)容和具體操作法，闡述多組退役換電電池與通信局（基）站原有電源系統(tǒng)跨接系統(tǒng)的運(yùn)行方式、控制原理、安全運(yùn)行保障措施等。對(duì)于梯次電池在整包應(yīng)用中如何進(jìn)行均衡性控制、電源系統(tǒng)充放電管理控制等業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，進(jìn)一步論證了退役換電電池在通信基站中小容量備電應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)?；瘧?yīng)用的可能性、必要性。