梯次電池在通信基站儲(chǔ)能系統(tǒng)的探索及應(yīng)用

劉文德，朱瑞波，吳俊華

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310000）

1 引言

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電池的梯次利用迫在眉睫。從電動(dòng)汽車上退役下來的電池，雖然已經(jīng)不滿足電動(dòng)汽車較高的使用要求，但仍保有初始容量70%-80%的剩余容量，對(duì)能量密度要求不高的通信基站儲(chǔ)能領(lǐng)域完全可梯次利用。中國(guó)現(xiàn)有通信基站 200 多萬個(gè)，目前每年存量電池的更換和新建基站需要25Gwh的電池，根據(jù)業(yè)界測(cè)算，相當(dāng)于 2020 年全國(guó)實(shí)際可梯次利用的電池總量的3倍多。因此，梯次電池在通信基站儲(chǔ)能領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

目前，國(guó)內(nèi)外已有多項(xiàng)關(guān)于對(duì)梯次電池利用成本進(jìn)行了評(píng)估。例如；美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）的研究[1]分析了梯次電池應(yīng)用成本，并構(gòu)建了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析模型。美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）的研究[2]對(duì)比了鉛酸、鎳氫、鋰離子及鋰聚合物電池在電力系統(tǒng)、通信基站、UPS電源等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的Neubauer等[3]闡述了梯次電池利用對(duì)降低電池成本的影響以及用于儲(chǔ)能方面的應(yīng)用價(jià)值。許乃強(qiáng)，田智會(huì)[4]通過電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可根據(jù)通信基站儲(chǔ)能需求輸出直流48 V電壓、交流三相40OV/50Hz電壓兩種供電模式，極大地滿足了基站蓄能系統(tǒng)的需要。此外，中國(guó)鐵塔公司開始梯次電池在通信基站的規(guī)模化應(yīng)用，同時(shí)也將進(jìn)一步帶動(dòng)梯次電池產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化的發(fā)展；本文通過國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)梳理，結(jié)合國(guó)內(nèi)通信基站儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)及運(yùn)用規(guī)模，分析總結(jié)了不同場(chǎng)景類型下，通信基站動(dòng)力電池梯次利用的技術(shù)方案及經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)今后的發(fā)展方向提出相關(guān)對(duì)策建議；

2 技術(shù)方案介紹

通信基站動(dòng)力電池梯次利用的方案主要分為兩大類。

方案一：將退役動(dòng)力電池進(jìn)行集中拆解、余能檢測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、匹配再集成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，提高梯次利用電池模塊的安全性和一致性，達(dá)到再利用的標(biāo)準(zhǔn)。目前有一種傾向就是使用48V電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化模組。48V模組對(duì)于將動(dòng)力電池梯次利用到通信基站有著非常大優(yōu)勢(shì)。

具體使用模式：

2.1 梯次電池包直連-48V母線供電系統(tǒng)

對(duì)于新建基站或存量基站改造，使用相同狀態(tài)的48V梯次電池包/模塊作為儲(chǔ)能后備一體時(shí)，可以采取電池直連母線的方式，見下圖：

2.2 48V電池包通過電池共用管理器接入-48V母線

對(duì)于存量站備電市電擴(kuò)容，或?qū)⑿阅軤顟B(tài)差異比較大的48V梯次電池包/模塊應(yīng)用于基站改造，可以采取通過電池共用管理器將電池接入直連母線的方式，見下圖：

圖1 48V梯次電池直連母線模式

圖2 不同狀態(tài)的48V電池模組接入48V母線

方案二：在退役動(dòng)力電池基礎(chǔ)上直接改造使用，使用不同狀態(tài)的也不是48V額定電壓的梯次電池包/模塊，通過采取雙向DC/DC、AC/DC（PCS）變流器將電池包/模塊直連直流、交流母線作為備用電源[4]。

3 應(yīng)用價(jià)值分析

3.1 梯次電池應(yīng)用技術(shù)分析

梯次電池相比鉛酸電池在循環(huán)壽命、能量密度、高溫性能等方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，各項(xiàng)性能指標(biāo)全面優(yōu)于鉛酸電池，詳見下表：

電池性能指標(biāo) 鉛酸電池 梯次電池標(biāo)稱循環(huán)壽命（次） 200 400 800 1500 2000能量密度（Wh/kg） 30～45 90～120工作溫度（℃） 5～30 -20～55成本（元/Wh） 0.4 0.65 0.75 0.83 0.9性價(jià)比（將鉛酸電池歸1，可比計(jì)算 1 1.23 2.13 3.61 4.44適用場(chǎng)景 一、二類市電工況三、四類市電工況 新能源、削峰填谷

梯次電池在技術(shù)上完全滿足現(xiàn)網(wǎng)各種工況備電需求，可以全面替代鉛酸電池。不同循環(huán)壽命梯次電池適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。

3.2 梯次電池應(yīng)用經(jīng)濟(jì)分析

一、二類市電典型工況如下：

序號(hào) 參數(shù) 鉛酸電池 梯次電池 單位

1設(shè)備負(fù)荷 2000 W 2備電時(shí)長(zhǎng) 3 小時(shí)3電池容量 226 150 Ah 4電池單價(jià) 0.6 0.65 元/Wh 5電池殘值 0.2 0 元/Wh 6安裝費(fèi) 0.5 0.25 萬元7循環(huán)壽命 200 400 次8日歷壽命 5 8 年

年均成本=（設(shè)備費(fèi)+安裝費(fèi)-電池殘值）/電池使用壽命，根據(jù)測(cè)算結(jié)果，鉛酸電池年均成本0.20萬元，梯次電池年均成本0.14萬元，相比鉛酸電池年均成本節(jié)約28.1%。

三、四類市電典型工況如下：

序號(hào) 參數(shù) 鉛酸電池 梯次電池 單位1設(shè)備負(fù)荷 2000 W 2備電時(shí)長(zhǎng) 3 小時(shí)3電池容量 1500 1150 Wh 4電池單價(jià) 0.6 0.75 元/Wh 5電池殘值 0.2 0 元/Wh 6安裝費(fèi) 0.5 0.25 萬元7 標(biāo)稱循環(huán)壽命 200 800 次8日歷壽命 5 8 年

年均成本=（設(shè)備費(fèi)+安裝費(fèi)-電池殘值）/電池使用壽命，根據(jù)測(cè)算結(jié)果，鉛酸電池年均成本0.26萬元，梯次電池年均成本0.16萬元，相比鉛酸電池年均成本節(jié)約38.3%。

3.3 結(jié)論

在一、二、三、四類市電工況中，梯次電池使用壽命明顯優(yōu)于鉛酸電池，年均使用成本大幅降低，用梯次電池代替鉛酸電池具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；

4 總結(jié)與展望

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)通信基站儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)及運(yùn)用規(guī)模，分析總結(jié)了不同場(chǎng)景類型下，通信基站動(dòng)力電池梯次利用的技術(shù)方案及經(jīng)濟(jì)效益，梯次電池相比傳統(tǒng)鉛酸電池具備能量密度高、循環(huán)性能好、性價(jià)比優(yōu)的特性，更適合通信基站的儲(chǔ)能備電應(yīng)用，同時(shí)點(diǎn)多面廣的通信基站資源具備規(guī)模化開展梯次電池應(yīng)用的先天優(yōu)勢(shì)，因此通信基站是梯次電池的最佳應(yīng)用場(chǎng)景之一。

為盡快推動(dòng)梯次電池在通信基站儲(chǔ)能方面的規(guī)模化應(yīng)用，最大程度地顯現(xiàn)其社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，提出以下相關(guān)對(duì)策建議；。

（1）建議明確通信基站運(yùn)營(yíng)商作為退役動(dòng)力電池的回收、再制造及梯次利用主體。

（2）建議由政府部門牽頭，通信基站運(yùn)營(yíng)商承建全國(guó)統(tǒng)一的動(dòng)力電池溯源管理平臺(tái)，強(qiáng)制對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全生命周期跟蹤管理。

（3）建議由政府部門牽頭，通信基站運(yùn)營(yíng)商承建全國(guó)統(tǒng)一的動(dòng)力電池運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，準(zhǔn)確掌握電池狀態(tài)及各階段運(yùn)行數(shù)據(jù)，降低退役動(dòng)力電池再制造及梯次利用成本。

（4）建議國(guó)家層面進(jìn)一步推動(dòng)梯次電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，針對(duì)梯次電池的拆解、檢測(cè)、分類、二次成組及貯存運(yùn)輸中的關(guān)鍵技術(shù)建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高梯次利用的作業(yè)效率。

（5）建議針對(duì)通信基站運(yùn)營(yíng)商梯次電池回收、再制造及廢舊電池再生利用項(xiàng)目，在廠房土地、改造資金等方面給予政策支持。

[1] CREADY E，LIPPERT J，PIHL J，et al.Technical and economic feasibility of applying used EV batteries in stationary applications[R].California：Sandia National laboratoriea，2003.

[2] Electical Power Research Institute.Market feasibility for nickel metal hydride and other advanced electric vehicle betteries in selected stationary applications[R].USA.EPRI，2014.

[3] NEUBAUER J，PESARAN A.The ability of battery second use strategies to impact plug-in electric vehicle prices and serve utility energy storage applications[J].J.Power Sources 2011，196（23）：1035 1-10358.

[4] 許乃強(qiáng)，田智會(huì).動(dòng)力電池梯次利用于通信基站儲(chǔ)能供電系統(tǒng)[J].通信電源技術(shù)，2017，34（5）：154-155.