基于汽車電池梯級利用的研究和經濟運營分析

高 亮

中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司

0 引言

近年來，電動汽車產業獲得迅速發展，汽車退役電池的數量也在顯著增加，而動力電池在汽車上退役后，鋰電池直接淘汰將造成極大的稀有金屬資源浪費，而且會對環境造成巨大破壞。退役的動力電池（可用容量在20%到80%之間）仍然潛藏巨大的剩余價值，其容量和功率仍然可以滿足多種儲能場合的需求，如UPS、通信基站、數據中心、電動自行車、風光發電儲能等應用。因此，開展梯級利用技術研究，充分發揮動力電池的剩余價值，是非常有必要的。近幾年，針對汽車退役電池進行了大量的實驗測試，例如循環壽命、浮充壽命、一致性、安全性等方面，測試結果顯示退役電池的特性適合在移動通信行業應用，汽車退役電池的梯級利用也會成為未來發展的趨勢。

1 梯級磷酸鐵鋰電池的使用性能研究

為了了解汽車退役電池在梯級利用時的不同性能要求，通過大量的實驗測試對梯級磷酸鐵鋰電池的使用性能進行分析，梯級磷酸鐵鋰電池的應用價值十分可觀，在不久的將來，梯級磷酸鐵鋰電池的應用會大幅增加。

1.1 梯級磷酸鐵鋰電池安全性

1.2 梯級磷酸鐵鋰電池使用壽命

電池使用壽命可分為兩大類：浮充壽命與循環壽命，對其分別進行測試。在某移動通信基站，對梯級磷酸鐵鋰電池的浮充壽命進行持續性監測，并實時監測電池在基站的使用狀況，監測結果顯示，到目前為止已進行了17個月，月平均衰減率為0.15%，以通訊行業磷酸鐵鋰電池組分立式電池組的標準要求電池壽命以初始容量的80%為壽命終止標準，可預測出電池的浮充壽命為20%÷0.15%≈133月，折合年份11年。

對于梯級磷酸鐵鋰電池的循環壽命，由常溫25℃條件下的測試數據可看出，梯級磷酸鐵鋰電池在常溫25℃的條件下，電池循環壽命性能良好，100% DOD循環360次后，電池衰減率為4.6%，以通訊行業標準規定的電池壽命以初始容量的80%為壽命終止標準，可預測電池的循環壽命為20%÷4.6%×360≈1565次。

1.3 梯級磷酸鐵鋰電池一致性分析

電池一致性的優劣直接決定電池放電性能的好壞，同時也決定電池壽命的長短。電池的靜態開路壓差與浮充后的壓差在200mV以下，是可以滿足磷酸鐵鋰電池組分立式電池組的規定要求，而且電池在BMS的均衡控制策略下，電池的一致性差異會變得更小，梯級磷酸鐵鋰電池可正常應用于移動通信基站。靜態開路壓差和浮充24h后壓差的測試值與標準對比如表1所示。

表1 靜態開路壓差和浮充24h后壓差的測試值與標準對比

1.4 梯級磷酸鐵鋰電池容量保持率

電池容量保持率測試是為檢測梯級磷酸鐵鋰電池的自放電性能，電池在長時間儲存后是否能正常使用。電池在充滿電后，靜置28天后再進行電池容量檢測，測試數據如表2所示。由測試結果可知，梯級磷酸鐵鋰電池的容量保存率為98.24%，即自放電率為1.76%，可得，自放電率小，電池能滿足相關通信行業磷酸鐵鋰電池組分立式電池組的標準要求，電池具備可用性。

表2 電池容量檢測對比

1.5 梯級磷酸鐵鋰電池在不同溫度下的充放電性能

電池的充放電性能包括電池的充放電效率、電池放電倍率范圍、溫度對電池的充放電穩定性的影響、電池充放電的電壓平臺與容量的對應關系等。

1.5.1 電池常溫25℃下的充放電倍率分析

梯級測試充放電電流倍率范圍0.1C～1C，從測試數據可以看出常溫下梯級磷酸鐵鋰電池的充放電電流倍率在1C及以下時，電池均可正常使用，電池電壓平臺穩定，電池可正常充電，可正常提供穩定的電流。

1.5.2 電池充放電效率

電池的充放電效率反映電池內部活性物質反應程度，同時體現電池在充放電能量轉換時的能量損耗。梯級磷酸鐵鋰電池在不同溫度下的充放電效率最低也在92%以上，電池的能量轉換效率高，電池環境適應性好。梯級磷酸鐵鋰電池在低溫充電時，建議小電流充電，在-10～0℃以下時，建議充電電流最大不要超過0.1C，-10℃以下時建議電池不要進行充電。

圖4（a）為室外環境俯視圖；圖4（b）為樣板飯周圍建筑及其社區環境，即虛擬角色漫游的主要場景；圖4（c）樣板房外部街景，通過一系列實物模型展現設計效果；圖4（d）為模擬車輛在道路行駛；圖4（e）為室內客廳設計效果，動態展示智能家居的相關設計理念以及家居設備的運行效果；圖4（f）為智能家居臥室效果，包括相關動畫表現的智能家居設備工作的狀態及其細節。

1.5.3 電池在不同溫度下放電穩定性分析

此項測試意義在于梯級磷酸鐵鋰電池在不同溫度下，能否提供正常而又穩定的輸出電流，滿足不同溫度的應用工況需求，研究顯示梯級磷酸鐵鋰電池在不同溫度下，電池提供的電壓平臺穩定，能穩定輸出電流，梯級磷酸鐵鋰電池能在不同的溫度場景下使用，即梯級磷酸鐵鋰電池的應用場景廣泛。

2 梯級磷酸鐵鋰電池與開關電源聯調和動環監控的匹配

2.1 梯級磷酸鐵鋰電池與開關電源的聯調

磷酸鐵鋰電池單體電池標稱為3.2V，而在基站開關電源設置的浮充電壓是53.5V，即單體充電電壓為3.34V，若以此電池進行充電，梯級磷酸鐵鋰電池會存在電池充不滿的現象，因此建議設置單體電池充電電壓3.45V，即電池組浮充電壓55.2V。具體參數修改如表3所示。

表3 梯級磷酸鐵鋰電池參數修改表

2.2 梯級磷酸鐵鋰電池與動環監控的匹配

電池BMS已對動環監控與開關電源開放通信協議，通信協議為Modbus，通信接口為RS485。

3 梯級磷酸鐵鋰電池運營模式分析

梯級磷酸鐵鋰電池的運營模式，采用試點具體實例進行探討，并以完全租賃和部分租賃的模式分別進行分析，從而得出梯級磷酸鐵鋰電池在不同運營模式下的不同價值。

3.1 南京宏基站實例數據

利用磷酸鐵鋰電池的高溫性能特性，提高宏基站空調設置溫度，減少電費開支。基站原先配置按照目前鉛酸電池的使用規模，每個站配置48V/500AH的鉛酸電池，4組電池，浮充備電，空調環境溫度設置為28℃，鉛酸電池的使用壽命為8年，每組48V/500AH鉛酸電池的采購費用10800元，安裝費用1500元。梯級磷酸鐵鋰電池應用后，配置采用同規格梯級磷酸鐵鋰電池替換，每個站配置48V/500AH的梯級磷酸鐵鋰電池，4組電池，浮充備電，空調環境溫度設置為35℃，電池的使用壽命也為8年，每組48V/500AH梯級磷酸鐵鋰電池的租賃費用按1.0元/Wh計算，安裝費用1500元，每組梯級鐵鋰電池采購費用為8×3.2×500×1=12800元。南京機房電費調研數據：機房空調溫度28℃與35℃，一個月電費約節省1750元。

3.2 不同租賃模式經濟運營分析

采用完全或半租賃模式，在基站空調一次性采購成本上，南京地區對新建基站配置2臺柜機空調，使用梯次電池將在空調投入成本上減少一半，每個基站將節省一半的費用開支，折算節省一次性采購投入在6000元左右。按南京移動目前的一千個基站，每個基站減少一臺空調的投入計算，可減少一次性總投資達六百萬元左右。此外，采用完全租賃模式，南京移動可以省去每年鉛酸電池替換采購成本，可減少新購鉛酸電池成本達五百萬元左右。

采用完全租賃模式，可完全省去電池投入及維護費用，由年節省電費形式支付電池租賃費用，廠家可在投資第四年回本，并開始取得一定經濟效益。采用鉛酸電池部分租賃，鉛酸電池替換成梯級磷酸鐵鋰電池，電池的差價由年節省的電費形式支付，廠家可在投資第二年回本，并取得相應的經濟效益。

綜上所述，租賃模式雙方可以根據省電情況調整費用及投資回報年限，產生的經濟效益亦可由雙方共同分享，達到共贏效果。完全租賃和半租賃模式經濟效益對比如表4所示。

表4 完全租賃和半租賃模式經濟效益對比

4 結束語

從梯級磷酸鐵鋰電池的使用性能與經濟性能方面，闡述汽車退役動力電池應用于移動通信基站電源系統的可行性：（1）在技術性能上，梯級磷酸鐵鋰電池的安全性、一致性、使用壽命、充放電性能、容量保存率等方面均能符合相關標準或規定的要求；（2）梯級磷酸鐵鋰電池能與開關電源進行參數匹配，能實現正常的后備電源儲能功能，并且電池BMS對開關電源與動環監控開放通信協議，能實現遠端監控；（3）對完全租賃模式與部分租賃模式進行經濟性分析，均可盈利，即梯級磷酸鐵鋰電池在移動通信基站的應用，合作雙方能實現互利共贏。