换电电池梯次利用热点问题研究与应用

张智峰，郭 翔，马翼飞，魏 巍，黄 辰

（1.铁塔能源有限公司 江苏分公司，江苏 南京 210000；2.中国铁塔股份有限公司 江苏省分公司，江苏 南京 210000；3.中国铁塔股份有限公司 徐州市分公司，江苏 徐州 221000；4.中国铁塔股份有限公司 镇江市分公司，江苏 镇江 212000）

0 引 言

中国铁塔作为动力退役电池梯次利用的主要承载者，2018—2020年底在通信基站储能备电应用场景中累计部署退役电池梯次应用规模达12 GW·h，约100 000 t，年度总消纳量约为动力电池退役市场规模的20%。同时，铁塔能源在全国268个城市开展针对外卖、快速物流的低速电动车换电服务，截至2022年5月共部署网点超50 000个，服务用户已达70万人，投入换电电池约100万只。预计至2022年底换电网络规模将扩大1倍，同时为了保证换电电池性能在市场中有良好的使用口碑，届时每年的退役换电电池约有50万只，约0.6 GW·h，消纳市场空间巨大。中国铁塔在换电电池梯次利用方面同样积累了丰富经验。

电动汽车动力电池根据车型及市场需求进行设计，退役下来的各类电池存在电压、容量、尺寸不统一的问题，如果要在通信基站48 V电源备电系统中梯次利用，就需要重新分组与组装[1]。铁塔换电动力电池基础电压有48 V与60 V两种规格，这与通信基站基础电压一致或接近，且换电用动力电池每节都配置有独立的电池管理系统（Battery Management System，BMS），这就使得退役后的换电电池具有了整包梯次利用的可能。

单组换电电池整包梯次利用与传统的电芯重组和电池模组重新拼装方式的梯次利用模式相比，平均节省约40%改造成本。由于每组电池都自带BMS系统，在基站备电应用时主要考虑电池组间的均衡性即可。整包利用的电源系统结构简单，技术应用更成熟，维护操作更加简化、快捷，预计将会成为中小容量通信局站的主要备电方式。笔者收集整理了一些具有代表性的话题，并根据实践中的应用体会和研究结果对换电电池梯次利用在安全性、可靠性、经济性等方面的应用进行进一步阐述。

1 系统方案设计选择

换电电池梯次利用首先需要保证梯次使用电池本身的安全性，其次要确保通信系统设备的运行可靠性，最后需要兼顾方案的经济性。只有在满足这3点的前提下才能开展应用系统的设计，否则就失去其存在的意义。对于提及的梯次应用模式，其安全保证机制是利用退役换电电池自带的BMS与通信局站原有BMS共同协作实现。电池无需拆解重组，直接整包并入原通信电源系统，实现利旧、共享通信局站现有开关电源柜、直流供电系统。

不同系统容量的应用场景需采用不同的应用设计方案。针对小容量备电场景，例如5G微站、通信室分站点等，可以采用单组整包梯次利用；针对中等容量备电场景，例如通信基站、接入网、模块局等，则应采用多组换电电池与局站电源设备叠加的方式；针对大容量的储能备电场景，例如通信汇聚、节点机房等，则需另行考虑设计。

2 换电电池组梯次利用

2.1 换电电池基本特性

二轮电动车和三轮电动车换电电池电芯正极材料多为三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂等，中国铁塔考虑电池的安全性与低温适应性，使用的换电电池为磷酸铁锂电池与锰酸锂电池[2]。换电电池容量规格有20 Ah、25 Ah、30 Ah，电压等级分别为 48 V 和 60 V，对应标称电压分别为51.2 V和64 V。其中，48 V电池组由16只3.2 V单体电池串联组成，60 V电池组由20只单体电池串接组成。单体电池充电电压为3.50～3.65 V，放电电压为2.5～2.7 V。铁塔换电电池退网标准包括产品设计循环次数达到1 200次、累计使用时长达到3年或有效容量低于额定容量的80%，达到以上标准即可进入退役状态[3]。

2.2 换电电池BMS

为了保证锂电池组和单体电池安全、可靠工作，每组换电电池均配有BMS。系统由采集电路、监测电路、通信电路、保护电路、控制电路、热管理装置以及电气装置等组成，其基本管控逻辑有自检、电芯压差、荷电状态（State Of Charge，SOC）估算等[4]。

2.3 换电电池BMS诊断、保护机制

利用换电电池BMS采集换电电池组总电压、单体电压、实时电量、充放电电流、电池温度以及环境温度等参数，监控换电电池组充、放电环节中各项性能指标，出现异常时及时有效进行告警和保护处置。同时，BMS通过RS485通信、5G无线通信或蓝牙通信向系统平台上报信息，包括电池SOC、电池健康度、电池循环次数、电池可用度以及故障日志等[5]。具体诊断项目、指标阈值与保护动作信息如表1所示。

表1 BMS诊断主要内容

3 梯次利用电池组筛选与入网检测

3.1 筛选与检测原则

退役换电电池整包梯次利用需要先完成对备选电池的筛选与甄别，其基本原则包括以下3点：一是优先选择同一厂家生产的化学成分相同、类型相同、结构相同以及规格尺寸相近的电池组；二是优先选择有效容量相同或接近的电池组；三是优先选择循环使用次数接近的电池组进行重新配对组合。

3.2 检测仪器仪表及精度要求

常用退网换电电池的检测仪器或仪表包括5种：一是电压表、电流表，其精度不低于0.5级；二是恒流源，电流连续可调，在放电或充电过程中其电流变化应在±1%范围内；三是恒压源，电压连续可调，其电压变化应在±0.5%范围内；四是点温计或温度计，精度不低于±1 ℃；五是电池充放电测试仪，电压输出和检测精度不低于±0.5%，电流输出和检测精度不低于±0.1%[6]。

3.3 梯次电池入网检测内容及要求

梯次电池入网检测内容包括电池组外观与壳体状态检查、电池组一致性检测、电池组安全性能检测、抗电强度检测、绝缘电阻检测以及BMS性能检测等。其中，外观、壳体检查使用目测法，应确保壳体完整完好。BMS性能检测方法通过上位机软件检查确认数据采集功能是否正常，利用上位机软件或设备仪表分别模拟或调整相关参数与状态，检查诊断、上报功能是否正常。电池组一致性检测方法包括6种，具体如下。

（1）电池组静态开路电压差检测方法。电池组充满电后静置1 h，测量电池组内各单体电池的静态开路电压，记录电压偏差，要求单体电池之间的静态开路电压最大值与最小值的差值应小于等于50 mV。

（2）在线状态电压差检测方法。电池组充满电后静置1 h，继续以充电限制电压充电24 h后测量电池组内各单体电池的充电电压，记录电压偏差，要求单体电池之间的端电压最大值与最小值的差值应小于等于 50 mV。

（3）放电状态电压差检测方法。电池组充满电后静置1 h，以1.0I1A电流放电至终止电压，每隔1 h测量电池组内各单体电池的电压，记录电压差，直至电池组终止电压，单体电池之间的端电压最大值与最小值的差值应小于等于300 mV。

（4）单体内阻差检测方法。电池组充满电后静置1 h，测量电池组内各单体电池的内阻，计算内阻偏差，要求小于等于±6%。

（5）单体容量差检测方法。电池组充满电后静置 1 h，在 25 ℃ ±2 ℃的环境中，以 1.0I1A 放电至所有单体电池终止电压2.7 V，要求电池组内各电池之间容量最大值、最小值与平均值的差值不超过±1%。

（6）循环寿命检测方法。使用上位机软件读取电池组循环使用次数并记录，要求与梯次利用的电池组的循环使用次数接近。

4 梯次备电电源系统

通过对换电电池基本特性、使用工况以及自管理系统的分析，可知每组换电电池在BMS的监测、控制下为实现多组换电电池汇流并接提供了条件。

4.1 小容量整包利用系统

整包应用模式是针对直流负荷小于20 A的备电场景，将48 V退役电池直接跨接在直流母线上。小容量的应用场景，例如微站、视频监控点位等，使用单节48 V换电电池进行梯次利用即可，不存在梯次利用电池间的均衡性问题，对原电源系统无需做任何改造。原直流开关电源系统只负责提供稳定的电压、电流输出即可，不负责电池的充放电管理。电池的内部监测与充放电管理由梯次电池自带的BMS系统自行处理，BMS系统对梯次电池提供过充保护、过放保护、过流保护、短路保护以及过温保护等功能，监测退役换电电池运行环境及每个电芯的状态并上报监控平台，从而保证整个系统的运行可靠性与安全性[7]。小功率应用场景下的48 V换电电池整包梯次应用系统如图1所示。

图1 小功率应用场景下的48 V换电电池整包梯次应用系统

4.2 中等容量电源叠加系统

针对直流负载介于50～200 A的中等容量备电场景，需采用不同材质、不同电压等级、不同容量、不同新旧程度的全兼容电池合路模式。从应用角度出发，梯次利用电源系统还应考虑其经济性、易用性等。电池配组时可以在省域范围内对退役换电电池进行分类筛选，最大限度保持系统内电池基本属性的一致性。从系统兼容性出发，设计需满足适用性强，支持所有电池接入，各路电池均由独立的控制回路进行管理，并统一接受系统的调度管理。系统架构满足简单易用原则，即不对原基站通信电源系统做任何改变，不需要改变原备电构架和充放电策略。此外，单组梯次换电电池的管理仍由原电池BMS板进行监测与控制。通过对单组电池增加自适应双向直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）电源管理模块，实现不同类型、不间容量、不同电压等级的新旧电池混搭使用。这里的新电池指机房已部署铁锂或铅酸电池，旧电池指换电梯次利用电池。中等功率应用场景下的电池叠加系统架构如图2所示。

图2 中等功率应用场景下的电池叠加系统架构

4.3 电池组均衡性控制

对于换电电池梯次利用，业界关注最多的就是系统电池间的均衡性控制问题。电池叠加系统各电池间的均衡性控制由双向DC/DC模块及控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线控制实现，对不同或相同电压等级的换电梯次电池前设置双向DC/DC模块，各双向DC/DC模块相互独立工作。各DC/DC模块通过RS485读取被接入换电电池的BMS信息，进行对应电池的限流、调压、均流等充放电智能管理和保护。同时，各DC/DC模块间的通信由CAN总线进行自动地址分配并设定主模块，主模块需实现均流管理、协同管理、电池信息交互以及向局站动环监控单元（Field Supervision Unit，FSU）上报所有电池组信息至监控平台。中位机检测母线电压，并通过CAN总线控制每路DC/DC模块的充放电行为。

对于具体的均衡性控制，采用数字控制技术实现。放电过程中均衡器差分电流分配功能自动调整每块电池的放电电流，按需放电，容量大、电压高的电池多放电，容量小、电压低的电池少放电。这种放电策略可以有效防止低容量电池过放电，达到保护低容量电池的目的，同时大容量电池的电量得到彻底释放，实现电池组的最佳放电。由于大容量电池的电量得到完全释放，因此放电时间明显延长。在均衡放电机制下，对于衰减个体有明显的改善，控制了过放电的情况发生，对性能衰减电池提供了最大限度的保护。充电过程中均衡器自动识别衰减电池并降低其充电电流，减少的充电电流主要分配给相邻的电池，实现自动按需充电[8]。电池均衡性控制原理如图3所示。

图3 电池均衡性控制原理

4.4 电源系统充放电管理

电池叠加系统充放电管理模式为通过双向DC/DC管理模块中的上位机监测系统母线电压，当整流回路出现异常后，梯次电池由浮充模式转为放电工作模式，为负载供电至放电中止或整流回路恢复正常。当系统中同时存在电池（铅酸/铁锂电池）和梯次电池时，由双向DC/DC控制单元设置优先放电方式。系统实时对母线侧电压进行检测，当母线电压恢复到设置电压值时，DC/DC控制模块再次转为充电模式。双向DC/DC控制单元通过检测梯次电池BMS系统确认梯次电池状态正常后，控制单元启动工作，每路DC/DC模块根据电池信息及电池容量SOC要求进行充电管理。电池叠加系统充放电管理流程如图4所示。

图4 电池叠加系统充放电管理流程

5 结 论

退役换电电池因电压与通信局站基础电压一致或接近，同时换电电池自带独立完善的BMS电池管理系统，为其在通信基站备电场景下整包利用提供了可能。整包利用的电源系统无需对基站内原电源系统进行改造，只需叠加DC/DC电源模块即可，具有系统结构简单、技术应用更成熟、维护操作更加简化等优点。重点说明了换电电池梯次利用系统针对不同应用场景的设计方案选择以及不同应用方案关注点，根据单组换电电池基本特性，提出退役换电电池梯次利用筛选内容和具体操作法，阐述多组退役换电电池与通信局（基）站原有电源系统跨接系统的运行方式、控制原理、安全运行保障措施等。对于梯次电池在整包应用中如何进行均衡性控制、电源系统充放电管理控制等业界重点关注的问题，进一步论证了退役换电电池在通信基站中小容量备电应用场景规模化应用的可能性、必要性。