鐵鋰電池在通信基站中的梯次利用實(shí)踐

崔林

摘要 隨著新能源汽車的快速發(fā)展，即將有大批的動(dòng)力電池老化替換，本文主要討論磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池在基站中梯次應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性做出了討論，并給出了部分梯次利用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】鐵鋰電池 通信基站

鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，三元聚合、錳酸鋰和磷酸鐵鋰由于成本優(yōu)勢(shì)較傳統(tǒng)的鈷酸鋰明顯，正逐步成為鋰電池的主要發(fā)展方向。

高倍率動(dòng)力電池，磷酸鐵鋰較錳酸鋰電池更為合適。我國(guó)目前己成為世界上最大的鋰資源消費(fèi)國(guó)。隨著鋰資源需求日益增加，需求量和儲(chǔ)量之間的矛盾逐漸凸顯，廢舊電池的梯次利用和回收利用也越來(lái)越受到各方的重視。

本文主要討論的也要針對(duì)磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池在基站中梯次應(yīng)用實(shí)踐。

1 鐵鋰電池的梯次利用需求

根據(jù)中國(guó)汽車技術(shù)研究中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年純電動(dòng)商用車和乘用退役電池容量將分別為1737千瓦時(shí)和684千瓦時(shí)，合計(jì)2421萬(wàn)千瓦時(shí)。如果不能恰當(dāng)回收處理，退役動(dòng)力電池中的電解液、鈷鎳等金屬材料將有可能污染水和土壤。同時(shí)，資源的稀缺性也逼迫企業(yè)從原材料的獲取和成本控制的角度重視梯次利用。退役動(dòng)力電池盡管不再滿足車用需求，但卻可以在通信基站備電等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。按照80%的容量衰減以及60%的梯次利用篩選率，到2020年累計(jì)梯次利用動(dòng)力電池約為1162.08千瓦時(shí)。這無(wú)疑是個(gè)驚人數(shù)字。

電動(dòng)汽車的梯次利用要考慮到電動(dòng)汽車的復(fù)雜性，但技術(shù)上總體可行。在工程示范應(yīng)用方面，國(guó)網(wǎng)建有3 0KW/lMWh梯次利用錳酸鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和25 0KW/lMWh梯次利用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。中國(guó)鐵塔公司也開(kāi)始要求在2018年開(kāi)始全面進(jìn)行鐵鋰電池的應(yīng)用2鐵鋰電池的梯次利用的優(yōu)勢(shì)

2.1 一致性強(qiáng)

常見(jiàn)基站所需的備用電池容量約為48V，500Ah2組，合48KWh。按照80%的退役容量和60%的梯次利用成組率，需要約lOOKWh的退役動(dòng)力電池，與常見(jiàn)的2輛新能源汽車動(dòng)力電池容量大致相當(dāng)。因此，將2輛新能源汽車退役下來(lái)的動(dòng)力電池拼裝做成單個(gè)或多個(gè)模組即可滿足一個(gè)基站的需求，從而有效避免了退役動(dòng)力電池一致性不好的劣勢(shì)。

2.2 利用率高

從常見(jiàn)新能源汽車使用的磷酸鐵鋰充電次數(shù)分析，5年后一般汽車用戶已經(jīng)有了換車需求，而假設(shè)5年期間一周一次充電，電車全生命周期內(nèi)充電次數(shù)為250次左右。根據(jù)常見(jiàn)鐵鋰電池的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試曲線，容量下降到原有的90%左右，而實(shí)際工況容量一般下降到80%左右（續(xù)航下降20%），如圖1所示。

而如果用在常見(jiàn)的基站電源配套電池上，從250次到1000次放電的容量損失下降并不明顯。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果為下降到梯次利用時(shí)間點(diǎn)的90%，而實(shí)踐中由于溫度和機(jī)房條件惡劣的原因，一般會(huì)更劣化到80%。而對(duì)于一般城鎮(zhèn)中所使用達(dá)到的二類市電（每月停電3 5天以下），需要17.8年。當(dāng)然這只是理論分析，一般認(rèn)為在5年后由于陽(yáng)極材料的腐蝕，電池已經(jīng)要進(jìn)行報(bào)廢處理。

2.3 模塊化性能強(qiáng)

將梯次利用電池模塊化的好處就是可以隨時(shí)對(duì)出問(wèn)題的電池進(jìn)行替換。一旦電池出現(xiàn)問(wèn)題，直接替換這個(gè)電池模組就可以解決，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成太多的影響。

2.4 安全系數(shù)好

基站要求的是電池響應(yīng)速度，對(duì)電池日常充放電速度要求不高，不會(huì)采用大電壓、大電流的方式對(duì)電池進(jìn)行充放電，結(jié)合基站的監(jiān)控系統(tǒng)，有效了解基站電池充放電的狀態(tài)，保證電池在充放電過(guò)程中的安全性。從而降低了梯次利用電池在充電過(guò)程中發(fā)生燃燒、爆炸事故的幾率。

3 鐵鋰電池的梯次利用的技術(shù)可行性

技術(shù)性可行性方面包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性，涉及到老化、失效機(jī)理，后續(xù)壽命，安全性、可靠性檢測(cè)、分級(jí)篩選技術(shù)、工況測(cè)試，重組與管理技術(shù)等方面。

替換下來(lái)的電池存在以下問(wèn)題

（1）使用工況差異，電池包使用過(guò)程中的地域差異、充放電倍率差異、使用頻次差異、退役時(shí)限差異、車況及管理差異;

（2）梯次電池來(lái)源不同生產(chǎn)廠家，即使同規(guī)格在尺寸、結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分不相同;

（3）梯次電池容量保持率差異較大;

（4）相同容量的梯次電池生命周期點(diǎn)（SOH）無(wú)法確定，梯次電池成組后，循環(huán)使用衰減趨勢(shì)不盡相同;

梯次利用，最合理的應(yīng)該是拆解到模組級(jí)，而不是電芯級(jí)，因?yàn)殡娦局g的連接通常都是激光焊接或其他剛性連接工藝，要做到無(wú)損拆解，難度極大，考慮成本和收益，得不償失。不同批次的電池模組，甚至來(lái)自不同廠家的電池模組。在梯次利用時(shí)需要做好分組、重組和BMS管理。

4 鐵鋰電池的梯次利用的經(jīng)濟(jì)可行性

經(jīng)濟(jì)可行性方面，包括舊電池成本計(jì)運(yùn)輸/檢測(cè)、重組成本，新電池成本的快速降低，低成本的競(jìng)爭(zhēng)性儲(chǔ)能技術(shù)，再利用的收益，需要快速檢測(cè)/分選/成本技術(shù)，電池系統(tǒng)組件綜合再利用等。

成本是梯次利用的最大優(yōu)勢(shì)，也是梯次利用經(jīng)濟(jì)效益的來(lái)源。需要做到良好的成本控制，將系統(tǒng)成本做到新電池產(chǎn)品的三分之一，整個(gè)行業(yè)才能良好的運(yùn)轉(zhuǎn)下去。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)集成是關(guān)鍵，電池模組混用、系統(tǒng)柔性化設(shè)計(jì)、BMS魯棒性設(shè)計(jì)等，都能有效降低產(chǎn)品物料成本。

在產(chǎn)品的運(yùn)維環(huán)節(jié)，如何確定合理的質(zhì)保年限，做到智能化的管理，遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等，都會(huì)影響產(chǎn)品的生命周期成本。

根據(jù)我們?cè)谔荽卫弥械膶?shí)踐，給出以下工程建議

（1）電池組內(nèi)各單體電池及電芯應(yīng)為同一廠家生產(chǎn)、規(guī)格尺寸相同、結(jié)構(gòu)相同、化學(xué)成分相同的產(chǎn)品;

（2）所使用的磷酸鐵鋰單體電芯電池容量需達(dá)到電池初始標(biāo)稱容量的70%;

（3）磷酸鐵鋰電芯電池組應(yīng)采用16只電池單體串聯(lián)的方式;如果是其他組合方式，則需要采用升壓或者降壓的措施，確保輸出電壓符合通信基站使用;

（4）當(dāng)單體電池采用多只電芯并聯(lián)方式時(shí)，并聯(lián)數(shù)量不大于8只;

（5）單只電芯初始標(biāo)稱容量1 6Ah，梯級(jí)鋰電池成組容量不宜大于25Ah;

（6）單只電芯初始標(biāo)稱容量≤10Ah，梯級(jí)成組容量不宜大于50Ah;

（7） 10Ah<單只電芯初始標(biāo)稱容量<25Ah，梯級(jí)成組容量不宜大于100Ah。

總體來(lái)說(shuō)，隨著動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步和性能的提高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，都利于其梯次利用。而動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性隨著儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展及電池梯次利用規(guī)?；膽?yīng)用，也逐漸顯現(xiàn)。在基站當(dāng)中梯次利用使用磷酸鐵鋰電池是非常有潛力的，利用價(jià)值非常大。