通信基站中梯次電池的應用價值分析

吳 迪

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，鄭州 450002）

目前，通信基站廣泛使用鉛酸電池作為后備電源。鉛酸電池自 1859 年由 G.planté 發(fā)明以來，有 150 多年的使用歷史，生產(chǎn)技術成熟，安全性能好，雖然體積比能量/重量比能量更高的鎳氫電池、鋰電池等新型二次電池的出現(xiàn)，對鉛酸電池的霸主地位產(chǎn)生了一定威脅，但鉛酸電池由于其鉛酸電池內阻小，起動倍率高，價格低廉等優(yōu)勢，一直應用較為廣泛。電池梯次利用是指當動力電池不能滿足現(xiàn)有電動車輛的功率和能量需求時，將其轉移應用到對電池能量密度、功率密度等特性要求較低的其它領域（例如供基站使用，作為后備電源），達到充分發(fā)揮其剩余價值的目的。從定義可以看出，梯次電池的來源主要是電動汽車。目前，電動汽車所用電池為鋰電池，退役后的鋰電池應用到基站備用電源，可以取代一部分鉛酸電池的使用。本文將從鋰電池的優(yōu)勢、維護注意事項及梯次利用方案介紹來分析梯次電池的應用價值。

1 現(xiàn)階段兩種梯次利用技術方案

目前，梯次利用技術主要涉及到以下兩種方案：

方案一：將退役動力電池進行集中拆解，電芯集中篩選，重新組裝成標準模塊；方案二：在退役動力電池基礎上直接改造。

圖1 梯次電池技術方案

方案一有利于退役電芯的集中篩選與維護，選取優(yōu)質電芯，能夠保證質量；同時，退役電芯的來源不局限于特定的電動車項目，能夠保證供應量；最終的電池模塊能實現(xiàn)標準化，能夠保證兼容。方案二有利于電池組梯次利用的簡單模塊化，供應量上占優(yōu)勢，生產(chǎn)方式上簡單易行，人工成本低廉；但由于電池組本身的結構形狀限制，對占地的要求較高，對電池來源也有限制。

2 鋰電池梯次利用的優(yōu)勢

2.1 性能優(yōu)勢

通信用磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比的優(yōu)勢主要包含以下幾點：

（1）長壽命。新的磷酸鐵鋰動力電池，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，最多也就3年時間，而梯次鐵鋰電池循環(huán)壽命在200～300次。（2）耐高溫。磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃～500℃，工作溫度范圍寬廣（-20℃～＋55℃）。鉛酸電池穩(wěn)定工作的穩(wěn)定是25℃～28℃，溫度升高會損壞電池，降低電池使用壽命。（3）高能量密度。磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品實際重量比能量可超過130 Wh/Kg（0.2C，25°C）；體積比能量為210Wh/L；鉛酸電池產(chǎn)品實際重量比能量為32～37 Wh/Kg（0.2C，25°C）；體積比能量為70Wh/L。同等容量的鐵鋰動力電池的體積比鉛酸電池少1/3-1/4，重量減少1/2-1/3。（4）大電流充放電。磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電，起動電流可達5C以上。鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。所以磷酸鐵鋰電池充電時間短耗電少。

2.2 經(jīng)濟及社會效益

參考目前市場價，以磷酸鐵鋰電池為例，鋰動力電池的價格是鉛酸電池價格的 2～3 倍。但是，在使用壽命內，鋰動力電池能夠提供的總能量是鉛酸電池的10倍以上。因此，考慮使用壽命內提供的總能量與購置費用的比值，鋰電池使用壽命內每 kWh攤銷費用卻僅有鉛酸電池的1/3左右。雖然鋰電池的購置費用高于鉛酸電池，但是使用壽命內的攤銷費用確遠遠低于鉛酸電池。

如果計算蓄電池壽命期后的再使用價值，鋰電池優(yōu)勢更凸顯。鉛酸電池在壽命期后，除可用于回收鉛外，沒有再作為電池使用的價值。鋰電池在壽命期后，仍能在其他應用場景提供額定電量的 60 % 的電能，這時，鋰電池每 kWh 攤銷費用能夠降低至鉛酸電池的1/5左右。由此可以看出，鋰電池買得貴，使用卻比較便宜。

環(huán)境保護方面，鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無毒（SGS認證通過），無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，在生產(chǎn)過程中或其廢棄后若處理不當，仍將對環(huán)境構成二次污染，而磷酸鐵鋰材料無論在生產(chǎn)及使用中，均無污染，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發(fā)展的項目。

3 鋰電池的安全特性及維護注意事項

雖然鋰電池具有較好的穩(wěn)定性和耐用性，但在安全方面，仍需注意避免以下幾點：

（1）過充電。過充電是指電池充滿之后，再繼續(xù)充電的行為。鋰離子電池在過充電過程中，大量的鋰從正極材料中脫離出來，電池的電壓和溫度在很短的時間內快速升高，釋放出大量的熱，當電池達到一定電壓時，電解質溶液就會發(fā)生氧化分解反應，劇烈的化學反應放出大量的熱量，可能會發(fā)生熱失控現(xiàn)象，進而發(fā)生燃燒或爆炸的安全事故。（2）過放電。鋰離子電池過放電是指在放電過程中，放電電壓超過電池額定放電截止電壓。電池過放電可能會導致電池容量的衰減，電池發(fā)生內短路，電池溫度出現(xiàn)異常出現(xiàn)熱失控等安全問題。（3）外部短路。鋰離子電池在使用過程中，可能在電池運輸過程中、電池組線路老化和振動、碰撞等情況下發(fā)生外部短路的情況。發(fā)生外部短路時，電池處于持續(xù)大電流放電狀態(tài)下，內部溫度快速上升，可能造成電池失效，嚴重時會導致電池的熱失控。（4）高低溫環(huán)境。鋰離子電池的最佳工作溫度為0℃～40℃，最大工作溫度范圍為-20℃～60℃。在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量急劇降低，電池內阻增大，在電池充放電時負極材料析出金屬單體鋰，形成鋰枝晶，隨著在低溫下循環(huán)次數(shù)的不斷增加，鋰枝晶的范圍不斷擴大，有可能會刺穿電池內部的正負極，使電池發(fā)生內部短路現(xiàn)象，導致電芯熔化，電池著火和爆炸等安全問題；在高溫環(huán)境下，高于55℃時鋰離子電池的容量衰減速率加快，電池壽命減少。當電池內部溫度大于90℃時，固體電解質界面膜發(fā)生分解，加速了負極材料與電解質溶液之間的化學反應，將導致電池熱失控的發(fā)生?；谝陨纤狞c，為了更安全地使用鋰電池，充分發(fā)揮它的的優(yōu)勢，當鋰電池應用于基站時，后期使用及維護期間，應特別注意以下2點：

一是設置合適的放電截止電壓，避免過放電；

二是定期維護空調系統(tǒng)，保持機房溫度穩(wěn)定。

4 梯次鋰電池放電測試

為了掌握梯次鋰電池的放電特性，我們進行了放電測試，測試選取2組電池串聯(lián)，電池1容量200AH、電池2容量200AH，充電電流系數(shù)0.15C，充電電流60A。浮充電壓54.4V。

測試數(shù)據(jù)見表1：

表1 梯次電池放電測試數(shù)據(jù)

利用以上測試數(shù)據(jù)，我們繪制了電池工作時的電壓、電流曲線，如圖2所示：

圖2 梯次電池電壓、電流曲線

根據(jù)放電測試結果，我們可以看出，電池進入放電狀態(tài)后，電流、電壓穩(wěn)定。總容量400AH的電池組能夠提供9小時25分的穩(wěn)定放電時長，可滿足大部分基站的需求。

5 結束語

本文介紹了鋰電池梯次利用的背景、應用價值，及需要防范的問題，在今后電動汽車逐漸普及，梯次鋰電池供應將越發(fā)充足，相信梯次鋰電池的應用能夠使通信設施的建設朝著更加高效低耗的方向發(fā)展。

鋰離子電池工作電壓高、無污染、自放電小，即使電池容量衰減至初始容量的50%，仍然有很高的剩余價值。通信用磷酸鐵鋰電池應用相比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池更能體現(xiàn) “節(jié)能”、“節(jié)材”、“節(jié)地”等節(jié)能減排工作的需求。

[1] 王維.動力電池梯次開發(fā)利用及經(jīng)濟性研究[D].華北電力大學，2015.

[2] 許乃強，田智會.動力電池梯次利用于通信基站儲能供電系統(tǒng)[J].通信電源技術，2017（5）：154-155.

[3] 仝瑞軍.動力鋰電池梯次利用的關鍵技術研究[J].客車技術與研究，2014（3）：30-32.

[4] 韓業(yè)斌.鉛酸電池與鋰電池全生命周期對比研究[J].蓄電池，2014（4）：186-189.