磷酸鐵鋰電池在城市軌道交通中的應用

代 偉，張 斌，陳 林

（1. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；2. 北京市地鐵運營有限公司供電分公司，北京 100044）

目前，閥控式鉛酸蓄電池憑借成熟的技術和豐富的規格，廣泛應用于城市軌道交通后備電源領域[1]。以北京地鐵8號線為例，UPS和直流屏改造前所使用的蓄電池均為閥控式鉛酸蓄電池，型號主要有500Ah/2V、120Ah/12V、128V/12V、54Ah/12V、90Ah/12V。按蓄電池組參考使用年限5年估算，每年有大量蓄電池需要進行更新改造，廢舊蓄電池的報廢處理，新蓄電池的重新安裝，以及現狀蓄電池的維護都需要投入巨大的人力物力。隨著中國蓄電池行業的快速發展，可供選擇的蓄電池種類越來越多，城市軌道交通行業有必要尋找在使用壽命、占地面積、智能管理以及運營維護等方面性能更加優秀的蓄電池種類[2]。

近年來，隨著清潔低碳能源的深入推進，各種新型儲能電池不斷涌現[3]。在眾多類型儲能電池中，鋰離子電池因具有能量密度高、使用壽命長、環保等優點而受到廣泛關注，近年來發展迅速，主要應用在大型儲能、電動汽車、通信備電等領域。

當前市場比較成熟的鋰離子電池主要包括磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、鈦酸鋰電池等，各類鋰離子電池性能參數對比情況見表1。鈷酸鋰電池具有高比容量，但安全性最差[4]，且成本高，壽命相對較短；錳酸鋰電池成本低，但其材料本身不太穩定，容易分解產生氣體，且高溫性能較差，電池溫度不能超過80℃，其循環壽命衰減較快、壽命相對較短；三元鋰電池(鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰)比容量高，但其防起火安全性和高成本方面存在較大的負面影響；磷酸鐵鋰電池的比容量低，但其安全性能優異，即使在高溫下仍可保持較穩定的結構，使得磷酸鐵鋰電池安全可靠，甚至在電池出現變形損壞時也不會出現冒煙、起火等安全事故，另外，磷酸鐵鋰原料資源較為豐富，極大地降低了材料及電池的使用成本；鈦酸鋰電池具有高安全、長壽命、耐溫寬等特點，但鈦酸鋰電池成本偏高，而且比容量也比其他鋰離子電池低，這些缺點限制了鈦酸鋰電池的廣泛應用。

表1 各類鋰離子電池性能對比Table 1 Comparison of Li-ion battery performance

與汽車用動力電池類似，城市軌道交通后備電源系統對蓄電池也具有較高的要求，尤其在使用壽命、安全性及成本方面要求更高[5]。就城市軌道交通領域備電要求而言，結合應用環境，磷酸鐵鋰電池是最好的選擇。

1 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池的應用對比

1.1 性能對比

磷酸鐵鋰電池與閥控式鉛酸蓄電池的各項性能對比見表2，從表2可以看出，磷酸鐵鋰電池在能量密度、使用壽命、充放電效率、大電流放電、環境適應性、環保等方面，都明顯優于閥控式鉛酸蓄電池。

表2 磷酸鐵鋰電池和閥控式鉛酸蓄電池性能對比Table 2 Performance comparison of lithium iron phosphate battery and valve-controlled lead-acid battery

1.2 占地面積和重量對比

以北京地鐵8號線二期車站整合UPS為例，使用上海航天電源技術有限責任公司生產的主備2套型號為ES384V500Ah的高安全浮充式防火型磷酸鐵鋰電池組替換原有2組192只500Ah/2V閥控式鉛酸蓄電池，其安裝方式、安裝尺寸和重量對比見表3。通過對比可以看出，磷酸鐵鋰電池占地面積是鉛酸蓄電池的67%，重量是鉛酸蓄電池的34%。鉛酸蓄電池占地面積過大、重量太重等問題，嚴重影響了日后電源系統的擴容改造，同時日常維護更換也十分不方便。

表3 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池尺寸和重量對比Table 3 Comparison of dimensions and weight of lithium iron phosphate and lead acid batteries

1.3 結構對比

閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池安裝情況如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出，相比于閥控式鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池組結構集成度更高，整體電流穩定性更好，降低了多組電池外部接線級聯安全風險，同時統一采用標準4U電池模塊，提高了機房空間的利用率和整體美觀度。

圖1 閥控式鉛酸蓄電池安裝情況 Figure 1 Installation of valve-controlled lead-acid batteries

圖2 磷酸鐵鋰蓄電池組安裝情況 Figure 2 Installation of lithium iron phosphate batteries

1.4 智能化管理對比

鉛酸蓄電池在目前使用過程中很少配置電池管理系統，即使配置了電池管理系統通常也是由第三方企業開發，不同廠家的電池和電池管理系統可能存在不兼容情況。磷酸鐵鋰電池應用時均會配置電池管理系統，通過智能化的電池管理系統，不僅可以對當前電池狀態進行精準檢測，還可以根據長期數據統計對電池健康狀態、劣化程度進行判斷，解決了鉛酸電池使用時需人工對每只電池進行巡檢的問題。

1.5 運維對比

表4為磷酸鐵鋰電池和閥控式鉛酸蓄電池維護內容和維護周期對比表。從表4可以看出，鉛酸電池由于沒有入網，為了能掌握電池性能，常規辦法就是現場測量，但是測量效率很低。磷酸鐵鋰電池通過聯網技術可以實現蓄電池的遠程監控、自動報警、可視化監控，不僅對當前電池狀態進行精準檢測，還可以根據長期數據統計對電池健康狀態、劣化程度進行判斷，后期維護工作要明顯少于閥控式鉛酸蓄電池。

表4 磷酸鐵鋰電池和閥控式鉛酸蓄電池運維對比Table 4 Comparison of operation and maintenance of lithium iron phosphate battery and valve-controlled lead-acid battery

2 城市軌道交通磷酸鐵鋰電池的安全性分析

由于城市軌道交通具有建筑結構復雜、客流集中、空間相對密閉、人員疏散困難等特點，相比于其他火災，城市軌道交通火災一旦發生，會對人民的生命和財產安全構成嚴重威脅[6]。因此，在磷酸鐵鋰電池大規模應用過程中，電池的安全性能至關重要，必須結合應用的工況特點和要求對磷酸鐵鋰電池的火災特性進行深入研究。

原則上，磷酸鐵鋰電池在正常使用條件下是安全的，人們更加關注在誤用或者濫用條件下的安全問題。從根本上來說，磷酸鐵鋰電池最終表現出來的安全事故都是伴隨著內、外部短路，溫度急劇升高甚至發生起火、爆炸，即電池熱失控。因此，要實現磷酸鐵鋰電池的安全應用，對各種因素引起熱失控的防控是關鍵。

2.1 電芯失效

電芯安全性失效主要有以下幾點。

2.1.1 內部短路

電芯內短路的誘因有機械濫用、生產缺陷和鋰枝晶生長，前兩種因素只要保證電池的生產品質和電池的規范使用即可避免，而鋰枝晶的生長卻無法通過上述方法排除。液態電解質的電芯進行充放電循環時，當石墨中所嵌入的鋰含量超過其容量后，多余的鋰離子就會和負極中穿梭而來的電子結合，由于電流密度和鋰離子分布不均等因素，鋰離子在負極表面不均勻沉積形成鋰枝晶。鋰枝晶生長到一定程度后便會刺破隔膜，造成電芯內短路。

2.1.2 漏液

電芯漏液的原因有外力損傷、碰撞、安裝不規范造成密封結構被破壞、焊接缺陷、封合膠量不足造成密封性能不好等。電芯漏液后整個電池模塊的絕緣失效，容易發生外短路。

2.1.3 負極析鋰

過充、快充、電池老化、低溫充電等都會導致電芯負極析鋰。發生負極析鋰后，鋰金屬不可還原，導致電池容量不可逆衰減。析鋰達到一定嚴重程度，形成鋰枝晶，會刺穿隔膜發生內短路[7]。

2.1.4 電芯鼓脹

電芯脹氣主要是因為電池內部發生副反應產生氣體，最為典型的是與水發生副反應。此外，高溫存儲及過充過放也會導致電芯脹氣。

2.2 電池管理系統失效

在軌道交通領域，電池管理系統主要實現的功能有：對電池工作狀態實施監測；對電池的荷電狀態和健康程度進行分析；電池異常狀態預警；均衡管理；對電池狀態進行實時控制。電池管理系統失效會造成以下嚴重的事故：

1)電池管理系統電壓檢測失效導致電池過充電或過放電。

2)電池管理系統溫度檢測失效導致電池工作溫度過高。

3)電磁干擾導致電池管理系統通信丟失，引發電池過充電或過放電。

2.3 Pack系統集成失效

Pack系統集成失效通常會造成以下后果。

1)螺母松動、端子接觸不良會導致導體連接阻抗過大，造成高壓線路溫度升高，極端情況下會導致電池系統著火。

2)高壓接觸器粘連導致電池過充或過放。

3)高壓線路老化、絕緣失效、化學腐蝕、電氣間隙不足、爬電距離不足、材料選擇不當、外來金屬導致電池系統外部短路。

3 城市軌道交通磷酸鐵鋰電池的安全性設計

為避免和防控上述不安全因素產生，磷酸鐵鋰電池的安全設計是關鍵。安全的磷酸鐵鋰電池設計包含電芯成分、電池管理系統功能、安全結構設計。

3.1 電芯成分

磷酸鐵鋰電池在城市軌道交通應用時通常安裝在專用的電池室內，應用環境友好，不會出現環境過熱、短接的情況，因此其應用安全性的關鍵在于不能出現電池過充。

城市軌道交通磷酸鐵鋰電池組通常由多節單體電池通過串并聯方式組成，單體之間的不一致性會導致在充電過程中各單體電池的電壓存在差異，如果沒有采取任何的均衡措施，單體之間的差異將逐漸增大，最終導致個別單體過充或過放。因此，傳統的磷酸鐵鋰電池不具備在城市軌道交通領域進行浮充應用的條件[8-9]。

相比于傳統磷酸鐵鋰電池，此次使用的磷酸鐵鋰電池為適應軌道交通蓄電池浮充運行要求，在常規磷酸鐵鋰電池基礎上做了以下改進。

1)電解液中添加一定比例的氧化-還原劑，目的在于在電池內部建立一種防過充的電化學自我保護機制，正常浮充狀態，氧化-還原劑相對穩定地存在于電解液中，不參加任何化學或電化學反應，對電池宏觀電化學性能沒有影響，當電池過充到氧化-還原添加劑的氧化電位時，添加劑在正極氧化，擴散到負極還原，通過添加劑在正負極間的來回穿梭，使電池電壓不再升高，避免了正負極活性材料的氧化還原，從而避免過充安全事故的發生[10]。

2)選用陶瓷隔膜防止電芯內部短路。

3)在電解液中添加特殊阻燃添加劑，有效提高電解液燃點，降低電解液的可燃度。

3.2 電池管理系統功能

通過添加氧化-還原添加劑，可以起到一定的自主均衡能力，但長期自主均衡將會使電池過熱。為了彌補電池自主均衡能力的不足，ES384V500Ah磷酸鐵鋰電池組采用主被動均衡技術，即充電時對電池組中電壓最低的單體電池進行補電，對電壓最高的單體電池進行放電，實現電池組中各單體電池電壓的實時動態均衡，保證每個單體電池都能充滿，減少由于自放電等原因導致的容量差異，提高電池一致性。如圖3所示，自2020年1月至今，ES384V500Ah電池組在以3.45 V/cell浮充運行過程中，通過主被動均衡使單體壓差保持在80 mV以內。

圖3 ES384V500Ah電池組內單體浮充電壓曲線 Figure 3 ES384V500Ah Floating voltage curve of single cell in battery pack

此外，電池管理系統還具有如圖4所示的功能，可實現對電池的數據采集、安全保護、狀態分析、能量控制、信息管理，保證電池安全、高效，長時間穩定工作。

圖4 電池管理系統功能 Figure 4 Function of Battery Management System

3.3 安全結構設計

ES384V500Ah磷酸鐵鋰電池組從電芯、模塊、機柜三層級安全結構設計，有效避免火災風險。

1)電芯殼體采用整體拉伸工藝一體化設計，上蓋板同電芯殼體采用激光焊接，保證結構強度及密封性。同時頂部采用泄壓閥設計，防止內部壓力過大導致電池殼體破裂甚至爆炸。

2)電芯間采用絕緣導熱并且阻燃的材料進行隔離，并采用焊接一體化結構連接，在保證可靠的同時，當外部發生短路時，可斷開連接，防止短路安全事故的發生。電池模塊內部設計導流氣路，可有效防止氣體聚集在極柱附近。同時，電池模塊采用密閉設計，可以有效隔絕空氣，在極端情況下不會燃燒。

3)系統采用19英寸標準機柜，可提供40 U自主安裝空間。在追求通風散熱以及輕量化設計的同時滿足IP20防護等級要求。電池機柜內部所有的電氣連接點無一裸露，均采用定制化的PC絕緣材料防護，既美觀又安全。

4 結語

對比閥控式鉛酸蓄電池和高安全浮充式防火型磷酸鐵鋰電池兩種蓄電池在北京地鐵8號線的運行情況可以看出，高安全浮充式防火型磷酸鐵鋰電池組在能量密度、大電流充放電特性、安全性、可靠性、運維等方面更具優勢，更適合城市軌道交通的應用。