梯次电池在通信基站储能系统的探索及应用

刘文德，朱瑞波，吴俊华

（华信咨询设计研究院有限公司，杭州 310000）

1 引言

随着新能源汽车产业的快速发展，电池的梯次利用迫在眉睫。从电动汽车上退役下来的电池，虽然已经不满足电动汽车较高的使用要求，但仍保有初始容量70%-80%的剩余容量，对能量密度要求不高的通信基站储能领域完全可梯次利用。中国现有通信基站 200 多万个，目前每年存量电池的更换和新建基站需要25Gwh的电池，根据业界测算，相当于 2020 年全国实际可梯次利用的电池总量的3倍多。因此，梯次电池在通信基站储能领域有着巨大的应用潜力。

目前，国内外已有多项关于对梯次电池利用成本进行了评估。例如；美国Sandia国家实验室（SNL）的研究[1]分析了梯次电池应用成本，并构建了相应的经济性分析模型。美国电力科学研究院（EPRI）的研究[2]对比了铅酸、镍氢、锂离子及锂聚合物电池在电力系统、通信基站、UPS电源等领域的应用前景。美国国家可再生能源实验室的Neubauer等[3]阐述了梯次电池利用对降低电池成本的影响以及用于储能方面的应用价值。许乃强，田智会[4]通过电源转换系统可根据通信基站储能需求输出直流48 V电压、交流三相40OV/50Hz电压两种供电模式，极大地满足了基站蓄能系统的需要。此外，中国铁塔公司开始梯次电池在通信基站的规模化应用，同时也将进一步带动梯次电池产业的规模化、标准化、专业化的发展；本文通过国内外文献梳理，结合国内通信基站储能系统的特点及运用规模，分析总结了不同场景类型下，通信基站动力电池梯次利用的技术方案及经济效益，并对今后的发展方向提出相关对策建议；

2 技术方案介绍

通信基站动力电池梯次利用的方案主要分为两大类。

方案一：将退役动力电池进行集中拆解、余能检测、状态评估、匹配再集成标准化模块，提高梯次利用电池模块的安全性和一致性，达到再利用的标准。目前有一种倾向就是使用48V电压等级的标准化模组。48V模组对于将动力电池梯次利用到通信基站有着非常大优势。

具体使用模式：

2.1 梯次电池包直连-48V母线供电系统

对于新建基站或存量基站改造，使用相同状态的48V梯次电池包/模块作为储能后备一体时，可以采取电池直连母线的方式，见下图：

2.2 48V电池包通过电池共用管理器接入-48V母线

对于存量站备电市电扩容，或将性能状态差异比较大的48V梯次电池包/模块应用于基站改造，可以采取通过电池共用管理器将电池接入直连母线的方式，见下图：

图1 48V梯次电池直连母线模式

图2 不同状态的48V电池模组接入48V母线

方案二：在退役动力电池基础上直接改造使用，使用不同状态的也不是48V额定电压的梯次电池包/模块，通过采取双向DC/DC、AC/DC（PCS）变流器将电池包/模块直连直流、交流母线作为备用电源[4]。

3 应用价值分析

3.1 梯次电池应用技术分析

梯次电池相比铅酸电池在循环寿命、能量密度、高温性能等方面具备明显优势，各项性能指标全面优于铅酸电池，详见下表：

电池性能指标 铅酸电池 梯次电池标称循环寿命（次） 200 400 800 1500 2000能量密度（Wh/kg） 30～45 90～120工作温度（℃） 5～30 -20～55成本（元/Wh） 0.4 0.65 0.75 0.83 0.9性价比（将铅酸电池归1，可比计算 1 1.23 2.13 3.61 4.44适用场景 一、二类市电工况三、四类市电工况 新能源、削峰填谷

梯次电池在技术上完全满足现网各种工况备电需求，可以全面替代铅酸电池。不同循环寿命梯次电池适用于不同应用场景。

3.2 梯次电池应用经济分析

一、二类市电典型工况如下：

序号 参数 铅酸电池 梯次电池 单位

1设备负荷 2000 W 2备电时长 3 小时3电池容量 226 150 Ah 4电池单价 0.6 0.65 元/Wh 5电池残值 0.2 0 元/Wh 6安装费 0.5 0.25 万元7循环寿命 200 400 次8日历寿命 5 8 年

年均成本=（设备费+安装费-电池残值）/电池使用寿命，根据测算结果，铅酸电池年均成本0.20万元，梯次电池年均成本0.14万元，相比铅酸电池年均成本节约28.1%。

三、四类市电典型工况如下：

序号 参数 铅酸电池 梯次电池 单位1设备负荷 2000 W 2备电时长 3 小时3电池容量 1500 1150 Wh 4电池单价 0.6 0.75 元/Wh 5电池残值 0.2 0 元/Wh 6安装费 0.5 0.25 万元7 标称循环寿命 200 800 次8日历寿命 5 8 年

年均成本=（设备费+安装费-电池残值）/电池使用寿命，根据测算结果，铅酸电池年均成本0.26万元，梯次电池年均成本0.16万元，相比铅酸电池年均成本节约38.3%。

3.3 结论

在一、二、三、四类市电工况中，梯次电池使用寿命明显优于铅酸电池，年均使用成本大幅降低，用梯次电池代替铅酸电池具有良好的经济效益；

4 总结与展望

本文结合国内通信基站储能系统的特点及运用规模，分析总结了不同场景类型下，通信基站动力电池梯次利用的技术方案及经济效益，梯次电池相比传统铅酸电池具备能量密度高、循环性能好、性价比优的特性，更适合通信基站的储能备电应用，同时点多面广的通信基站资源具备规模化开展梯次电池应用的先天优势，因此通信基站是梯次电池的最佳应用场景之一。

为尽快推动梯次电池在通信基站储能方面的规模化应用，最大程度地显现其社会效应和经济效益，提出以下相关对策建议；。

（1）建议明确通信基站运营商作为退役动力电池的回收、再制造及梯次利用主体。

（2）建议由政府部门牵头，通信基站运营商承建全国统一的动力电池溯源管理平台，强制对动力电池进行全生命周期跟踪管理。

（3）建议由政府部门牵头，通信基站运营商承建全国统一的动力电池运行数据实时监测平台，准确掌握电池状态及各阶段运行数据，降低退役动力电池再制造及梯次利用成本。

（4）建议国家层面进一步推动梯次电池技术标准化，针对梯次电池的拆解、检测、分类、二次成组及贮存运输中的关键技术建立统一的技术标准，提高梯次利用的作业效率。

（5）建议针对通信基站运营商梯次电池回收、再制造及废旧电池再生利用项目，在厂房土地、改造资金等方面给予政策支持。

[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] 许乃强，田智会.动力电池梯次利用于通信基站储能供电系统[J].通信电源技术，2017，34（5）：154-155.