多方案創(chuàng)新推動梯級電池在通信基站的應用

李 坦，胡振華

（中國鐵塔股份有限公司安徽省分公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

習近平總書記強調(diào)，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必經(jīng)之路。李克強總理指出，提升自主創(chuàng)新能力和水平，落實和完善扶持政策，優(yōu)化配套環(huán)境，創(chuàng)新商業(yè)模式，擴大先進實用的節(jié)能技術與新能源汽車市場應用。馬凱副總理多次調(diào)研并主持召開新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展專題會議。我國2009-2012年新能源汽車共推廣1.7萬輛，裝配動力蓄電池約1.2 GW·h；2017年底，累計推廣新能源汽車180多萬輛，裝配動力蓄電池約86.9 GW·h；2020年預計累計將超過20萬噸蓄電池，如果按70%梯級利用計算，每年約有6萬噸電池需要報廢處理。

動力蓄電池若處置不當，隨意丟棄，會給環(huán)境帶來影響、安全隱患及資源浪費。2018年2月26日，工業(yè)和信息化部、科技部、環(huán)境保護部、交通運輸部、商務部、質(zhì)檢總局及能源局，聯(lián)合發(fā)布了《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》。2018年3月2日，工業(yè)和信息化部、科技部、環(huán)境保護部、交通運輸部、商務部、質(zhì)檢總局及能源局，聯(lián)合發(fā)布了關于組織開展新能源汽車動力蓄電池回收利用試點工作的通知，部署了《新能源汽車動力蓄電池回收利用試點實施方案》。動力蓄電池回收利用有利于保護環(huán)境和社會安全，加快綠色發(fā)展，建設生態(tài)文明和美麗中國。

中國鐵塔通信基站總量接近200萬座，通信基站有備電需求，而梯次電池的性能優(yōu)于傳統(tǒng)基站的鉛酸電池。通信基站儲能電池需求量巨大，新能源的合理利用和削峰填谷的使用均離不開儲能。中國鐵塔公司積極響應國家號召，合理利用梯次電池，核心是品種繁雜的梯次電池在各類通信基站的合理應用。實現(xiàn)梯次電池在通信基站的合理應用，將帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 利用多路梯次電池管理器實現(xiàn)鉛酸和梯次電池的共用方案

1.1 技術內(nèi)容描述

動力磷酸鐵鋰電池小模組經(jīng)篩選和檢測重組為額定電壓51.2 V的標準電池模組。不同容量和性能的51.2 V梯級電池組和48 V鉛酸電池組，通過電池共用管理器實現(xiàn)并聯(lián)共用。

每組梯級電池模組均配備BMU模塊，用于檢測該組電池中16串單體電芯的電壓及溫度數(shù)據(jù)，并通過CAN/RS485通信將數(shù)據(jù)上傳至電池共用管理器。當監(jiān)測到梯級電池單體電芯過壓、欠壓和過溫，電池組過壓、欠壓及過流時，立即對該組電池組進行分斷保護。

電池共用管理器可單獨設定每組電池的均浮充電壓，并根據(jù)各組電池容量均衡分配充放電電流，保持各組電池同步、均衡放電和抑制環(huán)流。當鋰電池、鉛酸電池共用時，默認鋰電池優(yōu)先放電，也可人為選擇優(yōu)先放電電池組的順序，實現(xiàn)不同類型電池共用時的優(yōu)勢互補。電池共用管理器通過RS485通信口，將梯級電池、鉛酸電池的運行及故障信息統(tǒng)一上傳至FSU（如圖1所示），實現(xiàn)運維監(jiān)控平臺的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。

1.2 主要技術創(chuàng)新點

構建梯級電池綜合管理系統(tǒng)，將梯級電池內(nèi)置BMS的“專用”模式整合為多組梯次電池管理器的“共用”模式，通過共享BMS，使成本更低，節(jié)約投資，實現(xiàn)對基站能源系統(tǒng)的一站式綜合管理。

將BMS的分斷保護和管理功能移到合路器，只保留BMU的單體電壓檢測和溫度檢測功能，減少了BMS內(nèi)置的串聯(lián)開關，去掉了一個故障點，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

電池共用管理器集中管理多組梯次電池，不但解決了未來梯次電池擴容問題，而且還解決了目前FSU端口數(shù)量有限，無法滿足梯級電池接入問題。

實現(xiàn)了不同規(guī)格、不同容量的梯級電池組并聯(lián)共用，實現(xiàn)了梯級電池組與鉛酸電池組的共用。

安全性進一步提高，通過多路電池并聯(lián)配置，將集中故障分散為局部故障，降低了電池整體的故障概率，提高了通信的安全性。

圖1 鉛酸和梯次電池共用方案原理

1.3 應用情況

安徽省鐵塔分公司開展了梯次電池模組項目的首次應用，項目地點位于安徽省公司大樓九樓移動基站。

在基站原有1組500 Ah鉛酸電池的基礎上，增加4組額定電壓為51.2 V，容量分別為115 Ah、130 Ah、145 Ah、160 Ah的梯次電池組。1組鉛酸電池和4組不同容量的梯次電池通過多路電池共用管理器實現(xiàn)并聯(lián)共用，運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)通過RS485通信口上傳到FSU，目前設備運行穩(wěn)定。

安徽省鐵塔公司已完成采購多路電池管理器11 120個端口，共計3 080套，應用于電池擴容的更新改造及新建梯次電池項目。

2 大模組級梯級電池拆解重組利用方案

2.1 技術內(nèi)容描述

退役公交車動力電池模組，經(jīng)拆解、篩選、檢測出性能相一致的電芯。鐵塔代維公司直接運輸?shù)交荆锰菁夒姵毓芾砥髦苯邮褂?，根?jù)機房或機柜空間進行現(xiàn)場拼裝配組，連接各電芯電極。完成配組后，電池組額定電壓為51.2 V，并將電池組的輸出、各電芯電壓測量線及電池溫度測量線連接至梯次電池管理設備。

梯級電池管理設備安裝、接線方便，實現(xiàn)對梯級電池單體電壓、電池組電壓、溫度及充放電電流進行相應管理和保護。梯次電池管理設備功率輸出接口將電池組的輸出連接至開關電源母排，通信接口將梯次電池的運行狀態(tài)和告警信息上傳至FSU，實現(xiàn)運維監(jiān)控平臺的統(tǒng)一監(jiān)控和管理（如圖2所示）。

2.2 主要技術創(chuàng)新點

符合通信基站要求的梯次電池管理設備，節(jié)約了投資。

根據(jù)機房、機柜空間任意擺放梯次電池，安裝方便、應用靈活且節(jié)省空間，同時降低了對梯次電池安裝空間的要求。

鐵塔公司主導了整個梯次電池利用的全流程。

2.3 應用情況

中國鐵塔公司安徽省分公司組織代表，對合肥市第18路公交車第一批電動汽車退役的電池模組進行拆解、檢測，經(jīng)檢測該批梯次電池單組電芯剩余容量約為300 Ah，篩選重組為51.2 V/300 Ah電池模組，安裝到合肥市金桂路室外站。根據(jù)室外柜空間，現(xiàn)場自行拼裝、接線，并安裝上針對基站應用的梯次電池管理器，確保了自行篩選、拼裝的梯次電池穩(wěn)定可靠運行，驗證了鐵塔主導整個梯級電池利用全流程的可行性。

圖2 大模組梯級電池拆解重組利用原理

3 整PACK直接利用方案

如果實現(xiàn)動力小汽車退役的整PACK直接利用，將大大降低梯次電池回收利用的成本。大PACK直接應用方案，解決了梯次電池二次加工的問題，提高了梯次電池的利用效率，降低了梯次應用成本。

3.1 技術內(nèi)容描述

對電動汽車上直接退役下來的完整高壓PACK電池進行性能和容量測試。當性能和容量滿足基站使用需求時，對高壓PACK內(nèi)部接觸器的分斷邏輯和BMS中電池保護邏輯稍作修改，以適應基站備用電源工況。高壓PACK梯次電池通過高壓PACK應用變換電源設備直接柔性接入到基站-48 V直流電源系統(tǒng)中，為基站通信設備提供備用電源。

高壓PACK轉(zhuǎn)換電源在市電正常時將市電轉(zhuǎn)換為高壓直流電，為梯次電池進行充電。當市電停電后，可將高壓PACK梯次電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為-48 V直流電，為通信負載供電（如圖3所示）。

利用高壓Pack梯次電池容量大、循環(huán)充放電次數(shù)多的特點，對電價進行削峰填谷，提升了能源管理水平，實現(xiàn)了節(jié)電盈利，降本增效。

圖3 大PACK梯級電池直接利用方案原理

3.2 主要技術創(chuàng)新點

全國首創(chuàng)的汽車高壓PACK直接平滑利舊，是真正意義上的完全梯次電池利舊方案，具有里程碑的意義，對鐵塔未來梯次電池利用模式具有重要的參考和借鑒價值。

動力電池梯級利用效率大大提高，使用成本進一步降低。

充電、放電電路分離設計，減少了開關電源用于充電的整流模塊數(shù)量，提高了通信供電整流模塊的利用率和安全性。

3.3 應用情況

中國鐵塔股份有限公司安徽省分公司調(diào)查了多家電動汽車動力電池供應商，了解到當前退役的動力電池主要以完整PACK和不完全拆解的模組為主。因此，公司組織電池廠和相關廠商進行技術研討，確定了高壓PACK直接梯級利用方案。鐵塔自主組織將高壓PACK梯級電池安裝到合肥市楓林路基站，并配備上高壓PACK轉(zhuǎn)換電源，用于對高壓PACK梯級電池進行充放電管理。目前，所有設備運行穩(wěn)定。

本次應用的高壓PACK梯級電池為安徽江淮iEV5純電動汽車上直接退役的電池，額定電壓331 V，原始容量86 Ah，儲能達到29 kW·h。經(jīng)檢測，各單體電芯性能完好，電池剩余容量超過80%。完整的高壓PACK動力電池直接平滑梯次利用，通過削峰填谷避開電力高峰期用電，利用峰谷電價差在電價低時進行電池蓄電，降低了電力高峰期電網(wǎng)負荷，助力了社會發(fā)展。

4 結(jié) 論

目前，三種技術方案基本實現(xiàn)了退役動力電池在基站應用的方向，驗證了梯次電池在通信基站應用的可行性。中國鐵塔公司聯(lián)合電池廠商、電源設備廠商及代維公司等，打造了動力電池的回收、再制造及梯次利用的完整產(chǎn)業(yè)鏈，充分挖掘了動力電池的剩余價值，不僅滿足了基站備電需求，還形成了完整的綠色制造產(chǎn)業(yè)與循環(huán)經(jīng)濟。

多方案的技術方案實現(xiàn)了梯次電池在鐵塔基站中的安全、有效梯次利用，是節(jié)能環(huán)保、新能源等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大創(chuàng)新，是動力電池回收利用的典范，是利國利民的重大舉措。它實現(xiàn)了技術可行與成本管控兩大關鍵點，為通信基站有效運營保駕護航。

梯級電池的合理應用降低了動力蓄電池對土壤、水質(zhì)等造成的環(huán)境污染，在節(jié)能減排、控制土壤污染防治和控制大氣污染方面具有深遠意義，是節(jié)能環(huán)保、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大創(chuàng)新，是利國利企的好事。