鉅大LARGE | 點擊量：2790次 | 2020年11月12日
鐵塔基站為什么采用梯次磷酸鐵鋰電池？
梯次磷酸鐵鋰電池在鐵塔基站直流供電系統中的實際應用
隨著能源短缺和環境污染問題日益突出,電動汽車以其節能、環保等優點,受到廣泛關注。當電動汽車使用的動力電池容量下降到不滿足電動汽車續航里程要求時,就需要對動力電池進行退役處理。隨著電動汽車市場的日趨繁榮,退役的動力電池的“出路”問題日漸凸顯。
電動汽車動力電池容量衰減至80%,因續航能力不足而退役,但經過梯次利用處理,仍可用于基站備電。
車用動力電池包以通信用48V后備電源為基本模塊,電動汽車動力電池經由多組48V模塊進行串并集聯后,組成車用動力電池模組供電動汽車使用,在動力電池服役期滿后可直接應用于通信領域(見圖1)。
梯次磷酸鐵鋰電池基本特性
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1電池容量的倍率特性
隨著放電電流的增加,電池的放電容量將會有所下降,當放電倍率小于0.33C10時,鋰離子電池的放電容量受到放電倍率的影響很小,放電容量差別不大,基本可以認定電池的容量都可以100%放出。圖2為在20℃時,倍率與恒流放電電壓和容量的關系曲線。
2電池容量的溫度特性
環境溫度在0℃以上時,電池容量的衰減速度較慢,而環境溫度在0℃以下時,電池容量的衰減速度較快,隨著溫度的降低電池的內阻急劇增加(見圖3)。
3梯次磷酸鐵鋰電池與傳統鉛酸的對比的優勢
1
耐高溫:鉛酸電池穩定工作的溫度范圍25～28℃,溫度升高會損壞電池,降低電池使用壽命;
2
高能量密度:磷酸鐵鋰電池產品重量比能量可超過130Wh/kg(0.2C,25℃),體積比能量為210Wh/L;鉛酸電池產品重量比能量為32～37Wh/kg(0.2C,25℃),體積比能量為70Wh/L;
3
大電流充放電性能:磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電,起動電流可達5C以上,鉛酸電池現在無此性能。所以磷酸鐵鋰電池充電時間短;
4
綠色環保:磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),無毒(SGS認證通過);鉛酸電池中卻存在著大量的鉛,在其廢棄后若處理不當,仍將對環境夠成二次污染。
鉛酸電池與梯次磷酸鐵鋰電池的對比見表1;
5
梯級利用動力鋰電池使用壽命長、循環次數多,梯級利用后理論上仍能夠剩余6年的實際壽命和400～2000次的實際循環次數,較傳統鉛酸電池的3～6年使用壽命、200次的實際循環次數有大幅的提高;
6
耐高溫能力強,鋰電池滿足45℃以下極限工況的使用,目前通信基站常用的鉛酸電池溫度上限僅為35℃;
7
放電特性好,大電流放電時容量利用率高;
8
充放電轉換效率高,梯級電池的能量轉換效率較鉛酸電池高10%～15%;
9
占地小、重量輕、運輸成本低,梯級電池重量和體積為同容量鉛酸電池的1/2或2/3。
梯次磷酸鐵鋰電池應用的技術方案(表2)
1
將退役動力電池進行集中拆解,電芯集中篩選,重新組裝成標準模塊,有利于退役電芯的集中篩選與維護保證質量;退役電芯來源不局限于特定的電動車項目保證數量;最終的電池模塊能實現標準化保證兼容(見圖4)。
2
在退役動力電池基礎上直接改造,有利于電池組梯次利用的簡單模塊化,容量上占優勢,生產方式上簡單易行,人工成本低廉,但占地要求較高(見圖5)。
3
梯次電池工藝流程:篩選電池電芯、測試電壓、電芯配組、內部連接線、BMS、機箱或機架(見圖6)。
梯次磷酸鐵鋰電池的基本結構
磷酸鐵鋰電池由正、負極板(正極活性物質為磷酸鐵鋰,負極活性物質為石墨)、隔膜、電解質、極耳和鋁塑膜外殼組成。正負極板是電化學反應的區域,隔膜、電解質提供Li+的傳輸通道,通過化成等工藝處理后電池極板表面會形成一層致密的SEI膜(也叫固體電解質界面膜),極耳起到引導電流的作用。正極活性物質是磷酸鐵鋰,為橄欖石結構,其空間和內部結構如圖7所示。
磷酸鐵鋰與導電劑、粘結劑以一定的比例混合,涂覆在鋁箔上構成正極,負極活性物質通常是石墨類材料,通過粘結劑附著在銅箔上。正負極之間用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯復合隔膜)隔開,防止電池短路。隔膜是一種多孔結構的薄膜,充放電過程中Li+可以通過其孔隙,而電子e-不能通過。電池的電解液是六氟磷酸鋰有機溶劑。
梯次磷酸鐵鋰電池的工作原理
電池充電時,Li+從磷酸鐵鋰材料中遷移到晶體表面,從正極板材料中脫出,在電場力的作用下,進入電解液,穿過隔膜,再經電解液遷移到負極石墨晶體的表面,然后嵌入負極層狀石墨材料中。與此同時,電子流通過正極的鋁箔,經極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔電極,再經導電體流到石墨負極,使電荷達至平衡。
電池放電時,Li+從層狀石墨晶體中脫嵌,進入電解液,穿過隔膜,再經電解質遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面,然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的材料中。與此同時,電子經導電體流向負極的銅箔電極,經極耳、電池負極柱、負載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極,再經導電體流到磷酸鐵鋰正極,使電荷達至平衡。
梯次磷酸鐵鋰電池的管理系統
電池管理系統主要用于對蓄電池充電過程和放電過程進行管理,提高蓄電池使用壽命,并為用戶提供相關信息的電路系統總稱。
電池管理系統BMS,由監測、保護電路、電氣、通訊接口、熱管理裝置等組成,是電池保護和管理的核心組成部分,不僅要保證電池安全可靠的使用,而且要充分發揮電池的性能和延長使用壽命,作為通信用的后備能源,管理系統在開關電源和電池之間起到一個重要橋梁作用。對電池管理系統的要求必須符合通信電源供電系統的要求,所以電池管理系統的安全管理模式對電池的安全性至關重要。電池管理系統主要包括數據采集單元、計算以及控制單元、均衡單元、控制執行單元和通訊單元等。電池管理系統示意圖如圖8所示。BMS在基站間歇式的供電曲線圖如圖9所示。
恒流-恒壓充電階段:充電限制電壓控制(電池單體3.7V,電池組59.2V);
間歇式補充電階段:開路靜置,容量減少X%SOC(其中X取值在75～95之間)時,重新進入補充電狀態,補充電方式也遵循恒流-恒壓充電方式;
在開路靜置狀態時,若交流電停電,BMS應能控制電池組無延遲進入放電狀態。
即T1和T3為充電過程,T1為恒流-恒壓充電階段,T3為間歇式補充電階段;T2為電池組開路靜置階段;T4為電池組放電過程。
磷酸鐵鋰電池組在鐵塔基站的實際應用
針對鋰電池組的特性,在基站直流開關電源應用設置時,只須把浮充電壓和均充電壓調整到鋰電池組所需要的充電電壓即可,(同時必須在通信設備直流供電電壓范圍內)因為鋰電池組即便是長期處于充電狀態下,由于自身的BMS保護功能,電池性能是不會發生改變的。
例如:某基站后備電池組,采用48V-300Ah梯次磷酸鐵鋰電池組,每組電池由16個3.2V/100Ah的單體電池串聯組成,其中300Ah的電池是由3組100Ah的電池組并聯組成的,每個電池組有一個BMS控制系統,如圖10所示。
在安裝電池組對電池組進行了補充充電后,將電池組分別進行了0.33C10在線測試放電情況。測試場景如圖11所示。一組300Ah電池組容量測試曲線如圖12所示。
用智能電池組放電儀測試后,在線并入直流供電系統中。此時開關電源充電壓設置為56.8V,充電電流限制為每組30A。
梯次磷酸鐵鋰電池配置要求
1
梯級電池模組按照標稱容量可分為15、25、30、50、100、130、150、200Ah等容量系列。標稱容量應為退役鋰電池成組后容量;
2
梯級電池規格系列按照安裝方式可分為嵌入式、落地架式和落地箱式三種,容量在50Ah及以下的梯級電池,以嵌入式為主;
3
容量要求:梯級電池在不同工作溫度條件下應滿足表3所示的容量要求;
4
梯級電池電芯要求:梯級電池所使用的單體電芯容量需達到電芯初始標稱容量的70%;
5
輸出電壓范圍:梯級電池應采用16串方式,電池組額定電壓為51.2V,工作電壓范圍41.6V～60.0V;
6
環境要求:梯級電池組應在無腐蝕性、爆炸性和破壞絕緣的氣體及導電塵埃環境下正常工作。工作溫度范圍:-5～45℃;注:-5℃以下應采取加熱、保溫措施。相對濕度范圍:≤95%(45℃±2℃),大氣壓力范圍:70kPa～106kPa;
7
使用壽命:在環境溫度為25℃±2℃條件下,電池組80%DOD0.33C3循環壽命應不少于表4所列工況下的次數要求。
在環境溫度25℃±2℃的條件下,磷酸鐵鋰電池組在備電工況下的壽命應不小于6年。
梯次磷酸鐵鋰電池的功能要求
休眠功能
梯級電池應具有休眠功能,在運輸、貯存或離線狀態下,電池組BMS應處于徹底斷開狀態;當電池組由在線狀態(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界連通的狀態)轉入離線狀態(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界斷開的狀態)時,BMS應具有甄別功能,根據電力及電池組狀況自動進入休眠。當電池組由離線狀態(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界斷開的狀態)轉入在線狀態(即電池組輸出端正負極、通信接口與外界連通的狀態)時,BMS應能判別并自動激活,且根據電力及電池組狀況調整工作狀態。
電加熱功能
當梯級電池用于-5℃及以下的場景時,應配置直流電加熱裝置(需根據實際情況進行控制調整溫度),電池組應有專門的散熱設計,以保證加熱均勻使得設備正常工作。
充電限流管理功能
梯級電池應具有自主限流充電功能,保證工作范圍內的電壓輸入時,電池組能夠正常充電。充電限流值應設定在0.1C3(A)～0.2C3(A)之間,默認值為0.2C3(A)。
充電總電壓過高保護
梯級電池應具有充電總電壓過高保護功能,當充電到總電壓告警點時告警,到保護點時保護,作用于切斷,當總電壓下降到恢復點時恢復充電。
放電總電壓過低保護
梯級電池應具有放電總電壓過低保護功能。當放電到總電壓低告警點時應切斷放電電路并告警,一段時間后電池組應進入休眠模式。
放電單體電壓過低保護
梯級電池應具有放電時單體電池電壓過低保護功能,放電到單體電壓告警點時告警,到保護點時保護,作用于切斷,一段時間后電池應進入休眠模式。
放電過流管理
梯級電池應具有根據用戶的需要設置的輸出過流保護功能,保護期間應切斷電路并告警。
電池高溫保護功能
梯級電池自身應具有電池高溫保護功能,當電池溫度達到告警點時告警;到保護點時保護,作用于切斷;溫度回落到一定值后自動恢復。
電池低溫保護功能
梯級電池自身應具有電池低溫保護功能,當電池溫度達到告警點時告警;到保護點時保護,作用于切斷;溫度回升到一定值后自動恢復。
電池組荷電狀態(SOC)計算
梯級電池應具備動態荷電量計算功能,計算值與電池實際電量的誤差應不大于5%。
輸出短路保護
梯級電池輸出端正負極發生直接短路時,應在瞬間自動切斷電路并告警,BMS和電芯應不損壞(包括不打火、變形、漏液、冒煙、起火或爆炸);故障排除后,應能手動或自動恢復工作。
梯級電池監控技術要求
遙測量
可進行電池組/電池電壓、荷電狀態(SOC)、電池組充電/放電電流、循環次數(放電超過標稱容量80%為1次循環)、環境溫度/電池組溫度、電池組內阻(可選)的遙測監控以及歷史數據查詢、故障日志查詢等功能。
遙信量
可采集梯級電池的充電/放電狀態、電池組過充/過流告警、電池組放電欠壓/過流告警、單體充電過壓告警(可選)、單體放電欠壓告警(可選)、電池組極性反接告警、環境/電池組/PCBA板高溫告警(可選)、環境低溫告警、電池組容量過低告警、電池組溫度/電壓/電流傳感器失效告警、單體失效告警(可選)、電池組失效告警(可選)等遙信量指標。
遙控量
可進行告警聲音開/關、智能間歇充電方式、限流充電方式、充電開啟/關閉、放電開始/停止等遙控操作。
遙調量
梯級電池的BMS各種檢測項目的功能狀態及參數設置范圍應包括表5所示的內容。
梯次磷酸鐵鋰電池安裝和維護要求
1
電池組表面應清潔,無明顯變形,無機械損傷,接口觸點無銹蝕;電池組表面應有必需的產品標識,且標識清楚;電池組的正、負極端子及極性應有明顯標記,接線方式應為前出線方式,便于連接;電池組的電源接口、通訊(或告警)接口應有明確標識;
2
梯級鋰電池組的19英寸標準機械電氣單元的容器外殼、安裝架或箱應為金屬材質,且結構上便于搬運;
3
安裝梯級電池為了便于調測以及后期維護,需將鐵鋰電池面板朝外,將梯級電池可靠固定到電池架上或一體化機柜內;
4
梯級電池布放梯級電池連接線,將電池線分別連接至電源柜內保險銅排上口端子或蓄電池管理空開上,做好線纜的標簽標識;
5
布放電池監控線,將鐵鋰電池組連接至FSU-RS485通信端;
6
鐵鋰電池梯級電池接入系統,各類線纜連接完成之后,用萬用表對蓄電池的輸出電壓,進行檢測將檢測的數據做好記錄,調整開關電源輸出電壓至梯次電池當前電壓值;
7
調整開關電源參數,各類線纜連接完成之后,用萬用表對蓄電池的輸出電壓進行檢測,將檢測的數據做好記錄;
8
梯次磷酸鐵鋰電池運行環境的要求:根據電池的環境要求,室溫溫度不宜超過55℃,避免陽光對電池直射,朝陽窗戶應作遮陽處理,確保電池組之間預留足夠的維護空間;
9
梯次磷酸鐵鋰電池使用注意事項通過動環集中監控系統與BMS實時的對電池組的總電壓、電流、單體電壓SOC、SOH、溫度進行監測。同時,通過電池監測裝置了解電池充放電曲線及性能,定期進行測量,發現故障及時處理;
10
梯次磷酸鐵鋰電池經常檢查的項目:應經常檢查梯次磷酸鐵鋰電池模塊的極柱連接線(條)是否松動、是否有損傷、變形或腐蝕等現象;連接處有無松動、電池模組有無損傷、滲漏和變形、電池及連接處溫升是否異常;BMS數據線接觸情況;并對電池組的輸出保險溫度檢查和信號保險進行告警實驗。根據廠家提供的技術參數和現場環境條件,通過BMS系統檢查電池組總電壓及單體電壓是否滿足要求,檢測電池組間歇充電時的充電電流是否在要求的范圍內。檢測開關電源、電池組的充電電壓和限流值的設置是否正確。檢測電池組的低壓告警、高壓告警、高溫告警等設置是否正確。
梯次磷酸鐵鋰電池組技術和經濟論證
目前與應用的鉛酸電池相比，電動汽車退役電池能量密度高、功率密度高、(體積小、重量輕)、溫度特性好、循環壽命長、自放電率低，這些優異特性使其更適合于做鐵塔基站的備用電源，目前的梯次電池，其循環壽命可達800次以上，實力強的制造商，其電池循環壽命更長；隨著電動汽車的發展，到十三五末期和2020年以后，退役電池的循環壽命將普遍優于1000次，質量好的有望達到2000次。
目前根據當前市場情況,將循環壽命較低(只要400次以上即可,目前均能達到)的電池用于一、二、三、四類市電工況和高溫工況,循環壽命較高的電池用于新能源(800次以上)和削峰填谷(1200次以上)工況。
退役電池經過再制造后應用于基站后備電源的電池組,其成本構成中包含了電芯采購、運輸、測試、篩選、重組等再制造過程。按照十三五規劃的指標,預計未來退役電池數量會大幅度增加,回收與再制造體系形成規模效應,成本有望進一步降低。
在報廢動力電池的處理方面,由于基站所采用的主要是商用車退役的磷酸鐵鋰電池,其主要材料價值不高,因此報廢磷酸鐵鋰電池殘值很低。但已經有一些報廢電池處理廠家開始開展這項業務,并有望免費回收報廢電池。
總之，梯次電池應用應遵循小模塊、低電壓、高冗余、小電流、非移動的原則使用，因此通信基站相比于其他場景更適合梯次電池應用。梯次電池相比鉛酸電池在循環壽命、能量密度、高溫性能等方面具備一定優勢，各項性能指標優于鉛酸電池。梯次電池在技術上完全滿足現網各種工況備電需求，不同循環壽命梯次電池適用于不同應用場景，經濟上也具備一定優勢。梯次電池應用是節能環保、新能源等國家戰略新興產業發展的重大創新，對于推動低碳經濟、綠色經濟、循環經濟的發展具有非常重要的現實意義，既利國又利民。
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