动力锂电池在通信基站梯次应用的研究.pdf

版权声明 本研究报告版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究报告要点 以我国电动汽车 产业 的发展速度，到 2020 年电动车市场存量 将 超过 500 万辆，以一辆车平均配备 20kWh 的电池来估算，约有 1 亿 kWh(100GWh)的动力锂 电池进入汽车市场。 当动力锂 电池 的 容量衰减到初始容量 80%以下时 就需要退役，如果直接报废将造成资源的严重浪费 ，因此 对退役锂离子 动力锂电池 进行梯次利用 研究有着十分重要的意义。通信基站是 退役 锂离子 动力锂电池 的 梯次利用 的优良场景，它 体现了 绿色经济、低碳经济、循环经济等理念， 退役 锂离子 动力锂电池 梯次利用 的推进和实施必将产生巨大的社会效益。 本报告将从退役 锂离子 动力锂电池 梯次 利用 方案 、 梯次 利用退役 锂离子 动力锂电池 的 安全性、寿命 特性、 高低温特性 、一致性等方面分析 梯次利用动力锂电池在通信基站储能备电系统 应用的可行性。 （ 通信电源与通信局站工作环境技术工作委员会 ） 研究单位：中国铁塔股份有限公司、中国移动通信集团设计院有限公司、中国信息通信研究院、北京杉杉凯励新能源科技有限公司、卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司、双登集团股份有限公司、上海航天电源技术有限责任公司、信华精机有限公司、中航锂电（洛阳）有限公司、深圳市比亚迪锂电池有限公司、施耐德电气信息技术（中国）有限公司、华为技术有限公司、中冶赛迪电气技术有限公司、天津力神电池股份有限公司、北京动力源科技股份有限公司、深圳康普盾科技股份有限公司、广州力柏能源科技有限公司、杭州中恒电气股份有限公 司 项目负责人：高 健 项目参加人：王怀宇、郑百祥、彭广香、李长雷、周凡、汪清、朱卫民、李恩国、刘扬、李志强、谢秋、王冰涛、李树广、李南海、孙倩倩、李昊翔、田兰华、邱杰、梁伟雄、胥飞飞 。 完成日期： 2016 年 12 月 31 日 目 录 1 研究范围 . 1 2 术语和定义 . 1 2.1 动力蓄电池 Power battery . 1 2.2 磷酸铁锂电池 LiFePO4 battery cell . 1 2.3 利用 utilization . 1 2.4 梯 次利用 Cascade utilization . 1 2.5 再生利用 Regeneration utilization . 1 2.6 梯次利用动力锂电池 Cascade utilization power lithium battery . 1 2.7 电池管理系统 battery management system . 1 2.8 标称容量 nominal capacity . 1 2.9 循环寿命 cycle life . 2 2.10 容量保存率 save rate of capacity . 2 3 动力锂电池梯次利用的现状 . 2 3.1 国内动力锂电池梯次利用情况 . 2 3.2 国外动力锂电池梯次利用情况 . 3 4 梯次利用动力锂电池的意义 . 3 5 梯次利用方案 . 3 5.1 动力锂电池梯次利用的可行性 . 3 5.2 单体电池筛选方法 . 4 5.2.1 测试筛选方式 . 4 5.2.2 大数据分选方式 . 5 5.3 成组工艺 . 5 5.3.1 单体电池重新成组方式 . 5 5.3.2 小模组成组方式 . 5 5.4 电池组检测 . 5 5.5 梯次利用处理成本 . 5 6 梯次利用动力锂电池安全性分析 . 5 7 梯次利用动力锂电池特性分析 . 6 7.1 充放电特性 . 6 7.1.1 高低温充放电特性 . 6 7.1.2 倍率充放电特性 . 7 7.2 循环寿命 . 9 7.2.1 单体电池寿命预 测 . 9 7.2.2 梯次利用电池组寿命预测 . 9 7.3 浮充寿命 . 11 7.4 高温循环寿命 . 11 7.5 一致性 . 12 8 梯次利用电池管理系统（ BMS） . 12 8.1 BMS功能描述 . 12 8.2 BMS工作环境条件 . 12 8.3 电压均衡功能 . 13 8.4 充电限流功能 . 13 9 梯次利用动力锂电池与基站用铅酸电池的性能对比 . 13 10 退役动力锂电池回收及梯次利用处理 . 13 11 梯次利用后的动力锂电池的报废处理 . 14 12 经济性对比 . 15 12.1 备电应用 . 15 12.2 储能应用 . 16 13 梯次利用动力锂电池目前存在的问题 . 17 13.1 目前退役动力锂电池规模较小 . 17 13.2 退役动力锂电池梯次利用成本高 . 17 14 结论 . 17 1 动力锂电池在通信基站梯次应用 的研究 1 研 究 范围 本项目研究 在电动汽车上使用容量衰减到标称容量的 80%后退役的 磷酸铁锂 动力锂电池，通过梯次利用处理后应用于通信基站的储能备电系统。分析退役 磷酸铁锂 动力锂电池梯次利用方案、梯次利用 磷酸铁锂 动力锂电池安全性、寿命、充放电、高低温等特性，证明梯次利用 磷酸铁锂 动力锂电池在通信基站使用的可行性，提出梯次利用 磷酸铁锂 动力锂电池在通信基站的使用方式和应用场景。 梯次利用 磷酸铁锂 动力锂电 池 现阶段可在 通信基站逐步使用，远期可适用于 IDC、核心局等 更 高等级 的 机房 。 2 术语 和 定义 下列 术语和 定义 适用于本研究报告 。 2.1 动力蓄电池 Power battery 为电动汽车动力系统提供能量的蓄电池，由蓄电池包（组）及蓄电池管理系统组成。包括锂离子动力蓄电池、金属氢化物镍动力蓄电池等，不包括铅酸蓄电池。 2.2 磷酸铁锂电池 LiFePO4 battery cell 用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，由电极、电解液、外壳、极柱还有隔膜组成的基本功能单元。 2.3 利用 utilization 退役 动力蓄电池回收后的再 利用，包括梯 次 利用和再生利用。 2.4 梯次利用 Cascade utilization 将 退役 动力蓄电池（或其中的蓄电池包 /蓄电池模块 /单体蓄电池）应用到其他领域的过程。 2.5 再生利用 Regeneration utilization 对 退役 动力蓄电池进行拆解、破碎、冶炼等处理，以回收其中有价元素为目的的资源化利用过程。 2.6 梯次利用动力锂电池 Cascade utilization power lithium battery 在电动汽车上退役的进行二次使用的动力锂电池。 2.7 电池管理系统 battery management system 主要用于对蓄电池充电过程和放电过程进行管理，提高蓄电池使用寿命，并为用户提供相关信息的电路系统总称，一般由监测、保护电路、电气通讯接口、热管理等组成，用 BMS表示。 2.8 标称容量 nominal capacity 设计与制造电池时电池厂商规定或保证电池在一定放电条件下，应该放出最低限度的电量。用 3h率放电电流、截至电压 2.7V时放出的额定容量 C3表示，数值为 1.0C3，单位为安时(Ah)。 2 2.9 循环寿命 cycle life 在规定条件下，电池组在特定性能失效之前所能进行的充放电循环次数。 2.10 容量保存率 save rate of capacity 电池组在规定环境条件下，存储一定的时间后，在规定放电条件下，电池组放出可用容量的能力。 3 动力锂电池梯次利用的现状 随着能源短缺和环境污染问题日益突出，电动汽车以其节能、环保的优点，受到广泛关注。当电动汽车使用的动力锂电池容量下降到不满足电动汽车续航里程要求时，就需要对动力锂电池进行退役处理。随着电动汽车市场的日趋繁荣，预计从 2017 年开始将有大批的动力锂电池从车上淘汰下来，此时退役 动力锂电池 的“出路”问题日渐凸显。 通信基站的备电储能系统对电池性能的 要求低于电动汽车对动力锂电池性能的要求，梯次利用动力锂电池完全具备在通信基站储能备电系统继续使用的条件。因此，对车用退役锂离子 动力锂电池 进行梯次利用及经济性研究有着十分重要的意义。 我国政府在 2012 年制定的节能与新能源汽车产业发展规划 (2012-2020)中提到，到2015 年实现累计销量 50 万辆的新能源汽车推广目标，到 2020 年实现 200 万辆生产能力和500 万辆累计销量的产业目标。 以我国 2012 年前的 动力锂电池 技术及系统集成技术水平，这些 动力锂电池 ，一般在 3至 5 年左右达到寿命终止条件即容量衰减到初始 容量的 80%。以此推算，我国将在 2017 年迎来 动力锂电池 的大规模退役，此后退役量逐年快速递增，预计到 2020 年，会有超过 10GWh的 动力锂电池 退役。 3.1 国内动力锂电池梯次利用情况 目 前，包括国家电网、各地政府、电池企业等企事业单位纷纷开展 动力锂电池 梯次回收的研究，取得一定进展，但仍然属于探索阶段，尚未形成完整的产业链。 国网浙江公司探索 动力锂电池 在电动自行车上的梯次回收。国网浙江电力公司于 2013年编制完成了 动力锂电池 电动自行车梯次利用技术方案，其对电动汽车报废电池的电池进行重组，改造成用于 48 伏电动自行 车的动力电源。 国网北京公司开展了“电动汽车 动力锂电池 梯次利用技术研究与示范”项目，该项目将退运电池梯次利用与直流快充站相结合，同时通过千瓦级储能系统接入，动态调节充电站内直流负荷，稳定电压节点，降低充电站内负荷峰谷差，提高充电站的综合运营效益。 国网河南公司联合南瑞集团、电池制造企业等单位，建成退役电池储能示范工程，在全国率先打造了一套退役 动力锂电池 从分选、重组到储能利用的规范化流程，是国内首个真正意义上的基于退役 动力锂电池 的混合微电网系统。 北京市科委“电动汽车锂离子电池系统全生命周期利用技术研究与示范 ”项目组利用退役的 动力锂电池 ，在电动场地车、电动叉车和电力变电站直流系统上进行改装示范，经实测回收电池性能上相比传统铅酸电池有一定优势。 在通信领域，中国铁塔股份有限公司自 2015 年开始进行梯次利用 动力锂电池 在备电和储能应用上的研究，尝试在通信基站使用梯次利用 动力锂电池 代替传统的铅酸电池。目前已在全国建立了 100 余个试验站，经实测梯次利用 动力锂电池 性能上相比传统铅酸电池有一定优势，部分场景经济性优于传统铅酸电池。 3 3.2 国外动力锂电池梯次利用情况 日本非常重视 动力锂电池 的回收利用 ，早在电动汽车推广之前，就已经考虑 了 动力锂电池 的梯级利用问题。日产汽车在聆风上市之前就和住友集团合资成立了 4REnergy 能源公司。 美国对 动力锂电池 梯级利用研究较为全面，他们在 动力锂电池 经济效益、技术及商业可行性分析，梯次利用尝试等方面都进行了系统的研究。加州大学戴维斯分校的混合电动汽车研究中心在 2010 年也开展了动力锂离子电池的二次利用和价值分析等方面的研究，研究内容包括 4 5 个电池二次利用领域对电池性能的具体要求、用于家庭储能系统 (HESA)的产品研发，以及评价电池整体价值 (电动汽车和二次利用领域的价值之和 )的方法体系。从 2011年开始，通用汽车与 ABB 开始合作试验如何利用雪佛兰 Volt 沃蓝达的电池组采集电能，回馈电网并最终实现家用和商用供电。 2012 年 11 月通用汽车公司与 ABB 近日在美国旧金山共同展示了一项未来电池再利用的全新尝试：将五组使用过的雪佛兰 Volt 沃蓝达蓄电池重新整合入一个模块化装置，可以支持 3-5 个美国普通家庭 2 个小时的电力供应。 欧洲早在 2010 年， TUV 南德意志集团受到 Germany Federal Institutefor Building 的委托，参与电动汽车电池阶梯利用的研究项目。该项目得到德国能源与气候研究 机构的资金支持，项目规划在德国柏林建立储能应用示范工程。 2015 年，博世集团、宝马和瓦滕福公司就 动力锂电池 再利用展开合作项目，该项目利用宝马 ActiveE 和 i3 纯电动汽车退役的电池建造2MW/2MWh 的大型光伏电站储能系统。 4 梯次利用动力锂电池的意义 梯次利用的最大社会意义是使产品得到最大限度的应用，全生命周期的使用价值都得到充分利用，为社会创造经济价值的同时，也减少了废弃物排放，梯次利用是现代社会应大力推行的一种绿色环保、循环性、低碳型生产方式。 动力锂电池的梯次利用是指当动力锂电池不能满足现有电动车辆 的功率和能量需求时，将其转移应用到对动力锂电池能量密度、功率密度等特性要求较低的其他领域，达到充分发挥其剩余价值的目的。 动力锂电池容量衰减到初始容量 80%以下时，就需要退役，如果直接报废将造成资源的严重浪费。以我国电动汽车的发展速度，到 2020 年，电动车市场存量超过 500 万辆，以一辆车平均配备 20kWh的电池来估算，约有 1亿 kWh(100GWh)的锂离子电池进入汽车市场。按 0.6 元 /Wh 来计算，梯次利用将节省 600 亿元，累计减少二氧化碳排放量 90 亿吨以上（按化学工业行业碳排放指标 0.15366 万吨 /单位 GDP 计算）。 车用动力锂电池的梯次利用，形成良好的循环利用模式、充分发挥动力锂电池的利用价值后还可对其回收利用，提取电池中的贵金属、稀土元素等稀缺资源，提高资源利用率，减少环境污染。 退役动力锂电池梯次利用体现了生态设计、绿色经济、低碳经济、循环经济等理念，它的推进和实施必将产生巨大的社会效益。 5 梯次利用方案 5.1 动力锂电池梯次利用的可行性 本质上锂电池只要正、负极材料还有可逆嵌锂的能力，或者说锂离子可嵌入材料并从材料中脱嵌出来的能力，锂电池就能够继续循环使用 。锂电池失效 是一个连续渐变 的过程，容4 量陡降即 容量跳 水 ， 是因为不合理 的 设计、 生产过程控制（ 水分、杂质 控制） 的 不到位 以及不合理的 应用导致的。 在对动力锂电池进行梯次利用处理的过程中会将壳体受损 、 容量丧失等故障电池 以及不符合成组标准的电池筛除，保证梯次利用电池组的可用性。 此外通过对比亚迪 、 CATL、 力神 、 中航锂电 、合肥国轩、 上海航天 等占国内出货量 80%以上的动力锂电池生产厂商调研，其生产的锂电池均具备使用到标称容量 60%的能力。 5.2 单体电池筛选方法 动力锂电池退役后，其一致性较差、性能衰减严重，若不经分选直接使用，将直接影响到梯次利用电池组性能的发挥。在 梯级电池成组前应对单体退役电池进行分选，通过容量、内阻、自放电率、荷电状态等调整，确保参数一致再进行成组，同时保证成组中最低单体参数在参数允许范围之内，最终实现梯级利用电池组性能的高效发挥。 目前主要有两种筛选方式：测试筛选和大数据筛选。 5.2.1 测试 筛选方式 梯次利用主要是对退役动力 锂 电池进行测试、分选和重新成组，主要包括外观筛选、静态开路电压测试、内阻筛选以及自放电率筛选等，具体工艺流程如 图 5-1所示 ： 图 5-1 电池梯次利用流程 （ 1）电池的外观挑选 动力锂电池 包或模块外壳完好，外观不得有变形、裂纹及漏液，表面应平整、干燥、无外伤，且排列整齐，连接完好。 动力锂电池 单体不得有漏液、破损、腐蚀、变形，表面应平整 无外伤、无污物等，且标识清晰、正确 ， 鼓胀应在允许范围内。 （ 2）电池的开路电压测试 5 对 相同容量下的 退役 动力锂电池 进行单体开路电压测试，对通过电压测试具备梯次利用条件的单体电池筛选标记，并根据电压平均值分档待用。 例 如 某厂商 筛选 30%SOC状态下 开路电压范围在 2.8V 3.285V 的退役动力 锂电池 。 （ 3）内阻测试 对通过电压测试筛选的梯次电池进行内阻测试，筛选具备梯次利用条件的单体电池。 例如某厂商筛选 标准为 100Ah 以下 电池 内阻在 0.7m 1.4m、 200Ah以下 电池 内阻在 0.6 m 1 m、 400Ah以下 电池 内阻在 0.4 m 0.6 m 。 （ 4）自放电率测试 对通过电压、内阻 测试筛选的梯次电池进行开路储存自放电率测试，根据自放电率测试结果分档。 例如某厂商筛选 标准为 月自放电率在 3% 6%。 5.2.2 大数据 分选方式 动力锂电池 在电动汽车上实际使用期间，部分电池厂商能够持续对 单体电池 电压、 SOC等指标进行监控和分析，该方式可以很容易发现存在一致性差、容量不足等问题的 单体电池 。 在进行梯次利用分选时，只需根据监控数据分析即可发现问题 单体电池 或问题 单体电池所在的小模组，将其剔除后，不需要再根据 电压、内阻、自放电率重新分选 ，能够大幅降低电池的处理时间和处理成本。 5.3 成组工艺 5.3.1 单体电池 重新成组方式 根据分选后的单体电池容量、荷电状态、内阻、自放电率进行重新配组，保证整组电池的一致性。 5.3.2 小模组成组方式 退役的车用 动力锂电池 拆解至小模组状态（如 4组串联、 6组串联、 8组串联等），通过大数据筛选方式剔除大模组中一致性差或包含故障单体电池的小模组，剩余小模组由于运行一致性较好，故可以不再筛选直接组合为 48V（ 16 串）模组使用。 5.4 电池组检测 梯次利用 动力锂电池 成组后需进行容量测试 、 BMS监测功能测试、 BMS保护功能测试。 5.5 梯次利用处理成本 目前动力锂电池拆解和筛选成本 约为 0.006 元 /Wh 0.01 元 /Wh、成组成本约为 0.01元 /Wh 0.02元 /Wh、电池壳体及线束成本约为 0.1元 /Wh、 BMS成本约为 0.08元 /Wh、退役单体电池约为 0.6元 /Wh 1元 /Wh，即梯次利用成本在 0.796元 /Wh 1.21元 /Wh之间 。 6 梯次利用 动力锂电池 安全性分析 动力 锂 电池在电动汽车应用之前，必须通过高温试验、挤压试验、过充试验、过放试验、短路试验、针刺试验、跌落试验等安全性试验 （见表 6-1） ，其安全性能达标后才允许在电动汽车上使用。