換電電池梯次利用熱點問題研究與應用

張智峰，郭 翔，馬翼飛，魏 巍，黃 辰

（1.鐵塔能源有限公司 江蘇分公司，江蘇 南京 210000；2.中國鐵塔股份有限公司 江蘇省分公司，江蘇 南京 210000；3.中國鐵塔股份有限公司 徐州市分公司，江蘇 徐州 221000；4.中國鐵塔股份有限公司 鎮江市分公司，江蘇 鎮江 212000）

0 引 言

中國鐵塔作為動力退役電池梯次利用的主要承載者，2018—2020年底在通信基站儲能備電應用場景中累計部署退役電池梯次應用規模達12 GW·h，約100 000 t，年度總消納量約為動力電池退役市場規模的20%。同時，鐵塔能源在全國268個城市開展針對外賣、快速物流的低速電動車換電服務，截至2022年5月共部署網點超50 000個，服務用戶已達70萬人，投入換電電池約100萬只。預計至2022年底換電網絡規模將擴大1倍，同時為了保證換電電池性能在市場中有良好的使用口碑，屆時每年的退役換電電池約有50萬只，約0.6 GW·h，消納市場空間巨大。中國鐵塔在換電電池梯次利用方面同樣積累了豐富經驗。

電動汽車動力電池根據車型及市場需求進行設計，退役下來的各類電池存在電壓、容量、尺寸不統一的問題，如果要在通信基站48 V電源備電系統中梯次利用，就需要重新分組與組裝[1]。鐵塔換電動力電池基礎電壓有48 V與60 V兩種規格，這與通信基站基礎電壓一致或接近，且換電用動力電池每節都配置有獨立的電池管理系統（Battery Management System，BMS），這就使得退役后的換電電池具有了整包梯次利用的可能。

單組換電電池整包梯次利用與傳統的電芯重組和電池模組重新拼裝方式的梯次利用模式相比，平均節省約40%改造成本。由于每組電池都自帶BMS系統，在基站備電應用時主要考慮電池組間的均衡性即可。整包利用的電源系統結構簡單，技術應用更成熟，維護操作更加簡化、快捷，預計將會成為中小容量通信局站的主要備電方式。筆者收集整理了一些具有代表性的話題，并根據實踐中的應用體會和研究結果對換電電池梯次利用在安全性、可靠性、經濟性等方面的應用進行進一步闡述。

1 系統方案設計選擇

換電電池梯次利用首先需要保證梯次使用電池本身的安全性，其次要確保通信系統設備的運行可靠性，最后需要兼顧方案的經濟性。只有在滿足這3點的前提下才能開展應用系統的設計，否則就失去其存在的意義。對于提及的梯次應用模式，其安全保證機制是利用退役換電電池自帶的BMS與通信局站原有BMS共同協作實現。電池無需拆解重組，直接整包并入原通信電源系統，實現利舊、共享通信局站現有開關電源柜、直流供電系統。

不同系統容量的應用場景需采用不同的應用設計方案。針對小容量備電場景，例如5G微站、通信室分站點等，可以采用單組整包梯次利用；針對中等容量備電場景，例如通信基站、接入網、模塊局等，則應采用多組換電電池與局站電源設備疊加的方式；針對大容量的儲能備電場景，例如通信匯聚、節點機房等，則需另行考慮設計。

2 換電電池組梯次利用

2.1 換電電池基本特性

二輪電動車和三輪電動車換電電池電芯正極材料多為三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等，中國鐵塔考慮電池的安全性與低溫適應性，使用的換電電池為磷酸鐵鋰電池與錳酸鋰電池[2]。換電電池容量規格有20 Ah、25 Ah、30 Ah，電壓等級分別為 48 V 和 60 V，對應標稱電壓分別為51.2 V和64 V。其中，48 V電池組由16只3.2 V單體電池串聯組成，60 V電池組由20只單體電池串接組成。單體電池充電電壓為3.50～3.65 V，放電電壓為2.5～2.7 V。鐵塔換電電池退網標準包括產品設計循環次數達到1 200次、累計使用時長達到3年或有效容量低于額定容量的80%，達到以上標準即可進入退役狀態[3]。

2.2 換電電池BMS

為了保證鋰電池組和單體電池安全、可靠工作，每組換電電池均配有BMS。系統由采集電路、監測電路、通信電路、保護電路、控制電路、熱管理裝置以及電氣裝置等組成，其基本管控邏輯有自檢、電芯壓差、荷電狀態（State Of Charge，SOC）估算等[4]。

2.3 換電電池BMS診斷、保護機制

利用換電電池BMS采集換電電池組總電壓、單體電壓、實時電量、充放電電流、電池溫度以及環境溫度等參數，監控換電電池組充、放電環節中各項性能指標，出現異常時及時有效進行告警和保護處置。同時，BMS通過RS485通信、5G無線通信或藍牙通信向系統平臺上報信息，包括電池SOC、電池健康度、電池循環次數、電池可用度以及故障日志等[5]。具體診斷項目、指標閾值與保護動作信息如表1所示。

表1 BMS診斷主要內容

3 梯次利用電池組篩選與入網檢測

3.1 篩選與檢測原則

退役換電電池整包梯次利用需要先完成對備選電池的篩選與甄別，其基本原則包括以下3點：一是優先選擇同一廠家生產的化學成分相同、類型相同、結構相同以及規格尺寸相近的電池組；二是優先選擇有效容量相同或接近的電池組；三是優先選擇循環使用次數接近的電池組進行重新配對組合。

3.2 檢測儀器儀表及精度要求

常用退網換電電池的檢測儀器或儀表包括5種：一是電壓表、電流表，其精度不低于0.5級；二是恒流源，電流連續可調，在放電或充電過程中其電流變化應在±1%范圍內；三是恒壓源，電壓連續可調，其電壓變化應在±0.5%范圍內；四是點溫計或溫度計，精度不低于±1 ℃；五是電池充放電測試儀，電壓輸出和檢測精度不低于±0.5%，電流輸出和檢測精度不低于±0.1%[6]。

3.3 梯次電池入網檢測內容及要求

梯次電池入網檢測內容包括電池組外觀與殼體狀態檢查、電池組一致性檢測、電池組安全性能檢測、抗電強度檢測、絕緣電阻檢測以及BMS性能檢測等。其中，外觀、殼體檢查使用目測法，應確保殼體完整完好。BMS性能檢測方法通過上位機軟件檢查確認數據采集功能是否正常，利用上位機軟件或設備儀表分別模擬或調整相關參數與狀態，檢查診斷、上報功能是否正常。電池組一致性檢測方法包括6種，具體如下。

（1）電池組靜態開路電壓差檢測方法。電池組充滿電后靜置1 h，測量電池組內各單體電池的靜態開路電壓，記錄電壓偏差，要求單體電池之間的靜態開路電壓最大值與最小值的差值應小于等于50 mV。

（2）在線狀態電壓差檢測方法。電池組充滿電后靜置1 h，繼續以充電限制電壓充電24 h后測量電池組內各單體電池的充電電壓，記錄電壓偏差，要求單體電池之間的端電壓最大值與最小值的差值應小于等于 50 mV。

（3）放電狀態電壓差檢測方法。電池組充滿電后靜置1 h，以1.0I1A電流放電至終止電壓，每隔1 h測量電池組內各單體電池的電壓，記錄電壓差，直至電池組終止電壓，單體電池之間的端電壓最大值與最小值的差值應小于等于300 mV。

（4）單體內阻差檢測方法。電池組充滿電后靜置1 h，測量電池組內各單體電池的內阻，計算內阻偏差，要求小于等于±6%。

（5）單體容量差檢測方法。電池組充滿電后靜置 1 h，在 25 ℃ ±2 ℃的環境中，以 1.0I1A 放電至所有單體電池終止電壓2.7 V，要求電池組內各電池之間容量最大值、最小值與平均值的差值不超過±1%。

（6）循環壽命檢測方法。使用上位機軟件讀取電池組循環使用次數并記錄，要求與梯次利用的電池組的循環使用次數接近。

4 梯次備電電源系統

通過對換電電池基本特性、使用工況以及自管理系統的分析，可知每組換電電池在BMS的監測、控制下為實現多組換電電池匯流并接提供了條件。

4.1 小容量整包利用系統

整包應用模式是針對直流負荷小于20 A的備電場景，將48 V退役電池直接跨接在直流母線上。小容量的應用場景，例如微站、視頻監控點位等，使用單節48 V換電電池進行梯次利用即可，不存在梯次利用電池間的均衡性問題，對原電源系統無需做任何改造。原直流開關電源系統只負責提供穩定的電壓、電流輸出即可，不負責電池的充放電管理。電池的內部監測與充放電管理由梯次電池自帶的BMS系統自行處理，BMS系統對梯次電池提供過充保護、過放保護、過流保護、短路保護以及過溫保護等功能，監測退役換電電池運行環境及每個電芯的狀態并上報監控平臺，從而保證整個系統的運行可靠性與安全性[7]。小功率應用場景下的48 V換電電池整包梯次應用系統如圖1所示。

圖1 小功率應用場景下的48 V換電電池整包梯次應用系統

4.2 中等容量電源疊加系統

針對直流負載介于50～200 A的中等容量備電場景，需采用不同材質、不同電壓等級、不同容量、不同新舊程度的全兼容電池合路模式。從應用角度出發，梯次利用電源系統還應考慮其經濟性、易用性等。電池配組時可以在省域范圍內對退役換電電池進行分類篩選，最大限度保持系統內電池基本屬性的一致性。從系統兼容性出發，設計需滿足適用性強，支持所有電池接入，各路電池均由獨立的控制回路進行管理，并統一接受系統的調度管理。系統架構滿足簡單易用原則，即不對原基站通信電源系統做任何改變，不需要改變原備電構架和充放電策略。此外，單組梯次換電電池的管理仍由原電池BMS板進行監測與控制。通過對單組電池增加自適應雙向直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電源管理模塊，實現不同類型、不間容量、不同電壓等級的新舊電池混搭使用。這里的新電池指機房已部署鐵鋰或鉛酸電池，舊電池指換電梯次利用電池。中等功率應用場景下的電池疊加系統架構如圖2所示。

圖2 中等功率應用場景下的電池疊加系統架構

4.3 電池組均衡性控制

對于換電電池梯次利用，業界關注最多的就是系統電池間的均衡性控制問題。電池疊加系統各電池間的均衡性控制由雙向DC/DC模塊及控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線控制實現，對不同或相同電壓等級的換電梯次電池前設置雙向DC/DC模塊，各雙向DC/DC模塊相互獨立工作。各DC/DC模塊通過RS485讀取被接入換電電池的BMS信息，進行對應電池的限流、調壓、均流等充放電智能管理和保護。同時，各DC/DC模塊間的通信由CAN總線進行自動地址分配并設定主模塊，主模塊需實現均流管理、協同管理、電池信息交互以及向局站動環監控單元（Field Supervision Unit，FSU）上報所有電池組信息至監控平臺。中位機檢測母線電壓，并通過CAN總線控制每路DC/DC模塊的充放電行為。

對于具體的均衡性控制，采用數字控制技術實現。放電過程中均衡器差分電流分配功能自動調整每塊電池的放電電流，按需放電，容量大、電壓高的電池多放電，容量小、電壓低的電池少放電。這種放電策略可以有效防止低容量電池過放電，達到保護低容量電池的目的，同時大容量電池的電量得到徹底釋放，實現電池組的最佳放電。由于大容量電池的電量得到完全釋放，因此放電時間明顯延長。在均衡放電機制下，對于衰減個體有明顯的改善，控制了過放電的情況發生，對性能衰減電池提供了最大限度的保護。充電過程中均衡器自動識別衰減電池并降低其充電電流，減少的充電電流主要分配給相鄰的電池，實現自動按需充電[8]。電池均衡性控制原理如圖3所示。

圖3 電池均衡性控制原理

4.4 電源系統充放電管理

電池疊加系統充放電管理模式為通過雙向DC/DC管理模塊中的上位機監測系統母線電壓，當整流回路出現異常后，梯次電池由浮充模式轉為放電工作模式，為負載供電至放電中止或整流回路恢復正常。當系統中同時存在電池（鉛酸/鐵鋰電池）和梯次電池時，由雙向DC/DC控制單元設置優先放電方式。系統實時對母線側電壓進行檢測，當母線電壓恢復到設置電壓值時，DC/DC控制模塊再次轉為充電模式。雙向DC/DC控制單元通過檢測梯次電池BMS系統確認梯次電池狀態正常后，控制單元啟動工作，每路DC/DC模塊根據電池信息及電池容量SOC要求進行充電管理。電池疊加系統充放電管理流程如圖4所示。

圖4 電池疊加系統充放電管理流程

5 結 論

退役換電電池因電壓與通信局站基礎電壓一致或接近，同時換電電池自帶獨立完善的BMS電池管理系統，為其在通信基站備電場景下整包利用提供了可能。整包利用的電源系統無需對基站內原電源系統進行改造，只需疊加DC/DC電源模塊即可，具有系統結構簡單、技術應用更成熟、維護操作更加簡化等優點。重點說明了換電電池梯次利用系統針對不同應用場景的設計方案選擇以及不同應用方案關注點，根據單組換電電池基本特性，提出退役換電電池梯次利用篩選內容和具體操作法，闡述多組退役換電電池與通信局（基）站原有電源系統跨接系統的運行方式、控制原理、安全運行保障措施等。對于梯次電池在整包應用中如何進行均衡性控制、電源系統充放電管理控制等業界重點關注的問題，進一步論證了退役換電電池在通信基站中小容量備電應用場景規模化應用的可能性、必要性。