基于汽车电池梯级利用的研究和经济运营分析

高 亮

中国移动通信集团江苏有限公司南京分公司

0 引言

近年来，电动汽车产业获得迅速发展，汽车退役电池的数量也在显著增加，而动力电池在汽车上退役后，锂电池直接淘汰将造成极大的稀有金属资源浪费，而且会对环境造成巨大破坏。退役的动力电池（可用容量在20%到80%之间）仍然潜藏巨大的剩余价值，其容量和功率仍然可以满足多种储能场合的需求，如UPS、通信基站、数据中心、电动自行车、风光发电储能等应用。因此，开展梯级利用技术研究，充分发挥动力电池的剩余价值，是非常有必要的。近几年，针对汽车退役电池进行了大量的实验测试，例如循环寿命、浮充寿命、一致性、安全性等方面，测试结果显示退役电池的特性适合在移动通信行业应用，汽车退役电池的梯级利用也会成为未来发展的趋势。

1 梯级磷酸铁锂电池的使用性能研究

为了了解汽车退役电池在梯级利用时的不同性能要求，通过大量的实验测试对梯级磷酸铁锂电池的使用性能进行分析，梯级磷酸铁锂电池的应用价值十分可观，在不久的将来，梯级磷酸铁锂电池的应用会大幅增加。

1.1 梯级磷酸铁锂电池安全性

1.2 梯级磷酸铁锂电池使用寿命

电池使用寿命可分为两大类：浮充寿命与循环寿命，对其分别进行测试。在某移动通信基站，对梯级磷酸铁锂电池的浮充寿命进行持续性监测，并实时监测电池在基站的使用状况，监测结果显示，到目前为止已进行了17个月，月平均衰减率为0.15%，以通讯行业磷酸铁锂电池组分立式电池组的标准要求电池寿命以初始容量的80%为寿命终止标准，可预测出电池的浮充寿命为20%÷0.15%≈133月，折合年份11年。

对于梯级磷酸铁锂电池的循环寿命，由常温25℃条件下的测试数据可看出，梯级磷酸铁锂电池在常温25℃的条件下，电池循环寿命性能良好，100% DOD循环360次后，电池衰减率为4.6%，以通讯行业标准规定的电池寿命以初始容量的80%为寿命终止标准，可预测电池的循环寿命为20%÷4.6%×360≈1565次。

1.3 梯级磷酸铁锂电池一致性分析

电池一致性的优劣直接决定电池放电性能的好坏，同时也决定电池寿命的长短。电池的静态开路压差与浮充后的压差在200mV以下，是可以满足磷酸铁锂电池组分立式电池组的规定要求，而且电池在BMS的均衡控制策略下，电池的一致性差异会变得更小，梯级磷酸铁锂电池可正常应用于移动通信基站。静态开路压差和浮充24h后压差的测试值与标准对比如表1所示。

表1 静态开路压差和浮充24h后压差的测试值与标准对比

1.4 梯级磷酸铁锂电池容量保持率

电池容量保持率测试是为检测梯级磷酸铁锂电池的自放电性能，电池在长时间储存后是否能正常使用。电池在充满电后，静置28天后再进行电池容量检测，测试数据如表2所示。由测试结果可知，梯级磷酸铁锂电池的容量保存率为98.24%，即自放电率为1.76%，可得，自放电率小，电池能满足相关通信行业磷酸铁锂电池组分立式电池组的标准要求，电池具备可用性。

表2 电池容量检测对比

1.5 梯级磷酸铁锂电池在不同温度下的充放电性能

电池的充放电性能包括电池的充放电效率、电池放电倍率范围、温度对电池的充放电稳定性的影响、电池充放电的电压平台与容量的对应关系等。

1.5.1 电池常温25℃下的充放电倍率分析

梯级测试充放电电流倍率范围0.1C～1C，从测试数据可以看出常温下梯级磷酸铁锂电池的充放电电流倍率在1C及以下时，电池均可正常使用，电池电压平台稳定，电池可正常充电，可正常提供稳定的电流。

1.5.2 电池充放电效率

电池的充放电效率反映电池内部活性物质反应程度，同时体现电池在充放电能量转换时的能量损耗。梯级磷酸铁锂电池在不同温度下的充放电效率最低也在92%以上，电池的能量转换效率高，电池环境适应性好。梯级磷酸铁锂电池在低温充电时，建议小电流充电，在-10～0℃以下时，建议充电电流最大不要超过0.1C，-10℃以下时建议电池不要进行充电。

图4（a）为室外环境俯视图；图4（b）为样板饭周围建筑及其社区环境，即虚拟角色漫游的主要场景；图4（c）样板房外部街景，通过一系列实物模型展现设计效果；图4（d）为模拟车辆在道路行驶；图4（e）为室内客厅设计效果，动态展示智能家居的相关设计理念以及家居设备的运行效果；图4（f）为智能家居卧室效果，包括相关动画表现的智能家居设备工作的状态及其细节。

1.5.3 电池在不同温度下放电稳定性分析

此项测试意义在于梯级磷酸铁锂电池在不同温度下，能否提供正常而又稳定的输出电流，满足不同温度的应用工况需求，研究显示梯级磷酸铁锂电池在不同温度下，电池提供的电压平台稳定，能稳定输出电流，梯级磷酸铁锂电池能在不同的温度场景下使用，即梯级磷酸铁锂电池的应用场景广泛。

2 梯级磷酸铁锂电池与开关电源联调和动环监控的匹配

2.1 梯级磷酸铁锂电池与开关电源的联调

磷酸铁锂电池单体电池标称为3.2V，而在基站开关电源设置的浮充电压是53.5V，即单体充电电压为3.34V，若以此电池进行充电，梯级磷酸铁锂电池会存在电池充不满的现象，因此建议设置单体电池充电电压3.45V，即电池组浮充电压55.2V。具体参数修改如表3所示。

表3 梯级磷酸铁锂电池参数修改表

2.2 梯级磷酸铁锂电池与动环监控的匹配

电池BMS已对动环监控与开关电源开放通信协议，通信协议为Modbus，通信接口为RS485。

3 梯级磷酸铁锂电池运营模式分析

梯级磷酸铁锂电池的运营模式，采用试点具体实例进行探讨，并以完全租赁和部分租赁的模式分别进行分析，从而得出梯级磷酸铁锂电池在不同运营模式下的不同价值。

3.1 南京宏基站实例数据

利用磷酸铁锂电池的高温性能特性，提高宏基站空调设置温度，减少电费开支。基站原先配置按照目前铅酸电池的使用规模，每个站配置48V/500AH的铅酸电池，4组电池，浮充备电，空调环境温度设置为28℃，铅酸电池的使用寿命为8年，每组48V/500AH铅酸电池的采购费用10800元，安装费用1500元。梯级磷酸铁锂电池应用后，配置采用同规格梯级磷酸铁锂电池替换，每个站配置48V/500AH的梯级磷酸铁锂电池，4组电池，浮充备电，空调环境温度设置为35℃，电池的使用寿命也为8年，每组48V/500AH梯级磷酸铁锂电池的租赁费用按1.0元/Wh计算，安装费用1500元，每组梯级铁锂电池采购费用为8×3.2×500×1=12800元。南京机房电费调研数据：机房空调温度28℃与35℃，一个月电费约节省1750元。

3.2 不同租赁模式经济运营分析

采用完全或半租赁模式，在基站空调一次性采购成本上，南京地区对新建基站配置2台柜机空调，使用梯次电池将在空调投入成本上减少一半，每个基站将节省一半的费用开支，折算节省一次性采购投入在6000元左右。按南京移动目前的一千个基站，每个基站减少一台空调的投入计算，可减少一次性总投资达六百万元左右。此外，采用完全租赁模式，南京移动可以省去每年铅酸电池替换采购成本，可减少新购铅酸电池成本达五百万元左右。

采用完全租赁模式，可完全省去电池投入及维护费用，由年节省电费形式支付电池租赁费用，厂家可在投资第四年回本，并开始取得一定经济效益。采用铅酸电池部分租赁，铅酸电池替换成梯级磷酸铁锂电池，电池的差价由年节省的电费形式支付，厂家可在投资第二年回本，并取得相应的经济效益。

综上所述，租赁模式双方可以根据省电情况调整费用及投资回报年限，产生的经济效益亦可由双方共同分享，达到共赢效果。完全租赁和半租赁模式经济效益对比如表4所示。

表4 完全租赁和半租赁模式经济效益对比

4 结束语

从梯级磷酸铁锂电池的使用性能与经济性能方面，阐述汽车退役动力电池应用于移动通信基站电源系统的可行性：（1）在技术性能上，梯级磷酸铁锂电池的安全性、一致性、使用寿命、充放电性能、容量保存率等方面均能符合相关标准或规定的要求；（2）梯级磷酸铁锂电池能与开关电源进行参数匹配，能实现正常的后备电源储能功能，并且电池BMS对开关电源与动环监控开放通信协议，能实现远端监控；（3）对完全租赁模式与部分租赁模式进行经济性分析，均可盈利，即梯级磷酸铁锂电池在移动通信基站的应用，合作双方能实现互利共赢。