鋰離子電池在軌道交通裝備上的適應性研究*

吳 健，王占國，張言茹

（北京交通大學 國家能源主動配電網技術研發中心，北京 100044）

1 軌道交通裝備功能需求及發展趨勢

軌道交通裝備能源來自于電網或內燃機。隨著能源技術的不斷進步，越來越多的新型能源不斷涌現。從能量來源角度看，未來的軌道交通裝備將由多能源混合供能系統提供能量［1］，如圖1所示。圖1中，藍色虛線左側是能量源，右側為負載。左側能量源包括：電網、柴油發電機組、燃料電池、超級電容、動力蓄電池等［2］，這些能量源產生的電能直接或通過電力變化裝置接入車內高壓直流母線，為車內牽引及輔助負載供電。根據不同應用場景以及能源獲取的便利性，可以為單一能量源，也可以為2個或多個能量源的混合，如柴油發電機組與動力電池組成的混合動力系統（油—電混合動力）［3］、柴油發電機組與電網、動力電池組成的混合動力系統（油—電—電混合動力）、氫燃料電池與動力電池組成的混合動力系統（氫燃料電池混合動力）等。在多能源混合情況下，以提高能源利用率、降低全生命周期采購及運營成本為目標，確定能源配比方案以及能源調度管理策略。

圖1 多能源混合供能示意圖

近年來，隨著鋰離子電池技術的不斷進步，以鋰離子電池為能量源的新能源汽車得到快速發展。而鋰離子電池在軌道交通裝備上的應用相對發展較慢［4］，主要原因是在功率、能量、環境適應性、壽命、安全性等方面，軌道交通裝備對鋰離子電池的要求更高。近年來，隨著對運營可靠性和節能環保要求的不斷提高，以及隨著鋰離子電池技術的不斷提升，鋰離子電池在軌道交通裝備上的應用得到了快速發展，世界各國紛紛推出了純電池驅動、油—電混合動力驅動、氫燃料電池驅動等不同形式的新能源軌道交通機車車輛。2018年，在“德國柏林國際軌道交通技術展（InnoTrans）”上，新能源及新材料得到了大量應用及展示，在展會現場，眾多全球領先的機車車輛供應商，如中國中車（CRRC）、阿爾斯通（Alstom）、龐巴迪（Bombardier）、西門子（Siemens）等公司展出了許多首次在世界舞臺亮相的新型技術及產品，其中，鋰離子電池技術應用成為新技術亮點。隨著技術的不斷發展，以鋰離子電池為代表的新型車載儲能系統技術得到越來越多的應用。

2 鋰離子電池在軌道交通裝備上的應用場景分析

傳統干線機車及動車組驅動能源來自于單相25 kV、50 Hz交流電網供電的交流傳動系統原理（如圖2所示）或柴油發電機組供電的交流傳動系統原理（如圖3所示）。

圖2 由單相25 k V交流電網供電的交流傳動系統原理示意圖

圖3 由柴油發電機組供電的交流傳動系統原理示意圖

在城市軌道交通領域，傳統地鐵、輕軌及有軌電車的驅動能源來自于DC 1 500 V或DC 750 V直流電網，如圖4所示。

圖4 城市軌道交通車輛交流傳動系統原理示意圖

與電動汽車類似，利用鋰離子電池可實現純電池動力、油—電混合動力、油—電—電混合動力，以及燃料電池混合動力等多種新能源動力驅動方式。

2.1 純電池動力

鋰離子電池可用做軌道交通裝備動力驅動電源。與電動汽車的運營需求相比，用于干線鐵路的機車車輛的運營特點是高速、重載、長續航，現有鋰離子電池很難完全滿足這樣的需求。但對于城市軌道交通，對上訴運營特點的要求相對不高，一些應用場景非常適合將鋰離子電池作為主要動力源。

2.1.1城市軌道交通應用

（1）城市有軌電車

城市有軌電車與電動大巴類似，非常適合用鋰離子電池作為動力源［5］，其特點一是取消了影響城市景觀的架空供電線［6］，二是綜合建設及運營成本將大幅減少。純電池動力有軌電車原理如圖5所示。

圖5 純電池動力有軌電車原理示意圖

按照現有鋰離子電池系統能量密度計算，一列4~5編組的有軌電車可安裝鋰離子電池大約為150~250 kW?h，續航里程為25~50 km。這個里程數基本滿足城市有軌電車里程要求，因此，可僅在線路首末端設充電站，充電時間為發車間隔時間，一般不超過5 min，充電功率在1 MW以下。這個方案完全可以取消沿線鋪設的10 kV供電線，從而大幅降低建設及運營成本［7］。

（2）地鐵及輕軌車輛

對于地鐵及輕軌車輛，通過增加車載鋰離子電池系統，在電網發生故障時，由鋰離子電池提供能量源，將車輛牽引至站臺，疏散乘客，從而實現在供電網失效時的應急自牽引，避免重大安全風險。該功能還可用于地鐵及輕軌車輛的庫內自牽引，從而取消庫內牽引供電線路，降低建設成本及庫內高壓作業風險。

2.1.2干線軌道交通應用

鋰離子電池雖然不適合作為高速、重載、長續航的干線鐵路機車車輛的主牽引動力源，但在一些特殊應用場合，應用鋰離子電池作為輔助動力源，可大幅增強干線鐵路機車車輛的可靠性及適應性。

（1）用于干線機車車輛的跨無電區自走行

通過增加鋰離子電池動力驅動系統，可實現鐵路機車車輛在無電網區自走行，從而實現有電區段和無電區段的不間斷運行。由于受到鋰離子電池功率和能量的限制，該技術適用于對速度、載重及續航要求相對較低的市郊及城際鐵路機車車輛。

（2）用于供電網故障下的應急自牽引及庫內動車

當供電網故障時，動車組斷電停車，傳統動車組輔助蓄電池容量較小，無法實現車廂內環境控制，造成車廂內環境快速惡化，嚴重影響安全運行及乘客體驗。通過增加動力蓄電池，可實現動車組在無外部供電情況下的應急自牽引，將動車組牽引至下一供電區段或下一站臺疏散乘客，同時也為車廂內環境控制系統供電，提高乘客舒適度。根據目前國內供電網及車站建設情況，一般要求自牽引走行距離不低于20 km，其中5‰坡道5 km、平直道15 km，走行速度為30 km/h。

該功能還可用于動車組及電力機車庫內動車，實現庫內自牽引功能，從而簡化電路拓撲、節約成本、提高應用靈活性。

（3）用于調車機車

傳統調車機車的能量源為柴油發電機組，調車機車的運營特點是待機時間長、頻繁啟停，從而導致燃油效率低下，造成排放及噪音污染。由于調車機車的運營速度、載重要求相對較低，非常適合用鋰離子電池做動力驅動。在無網作業環境下，用鋰離子電池作為牽引動力源，有電網時，電網作為牽引動力源，同時為鋰離子電池充電。

2.2 油—電混合動力

與傳統以柴油發電機組為動力的內燃機車相比，由柴油發電機組與鋰離子電池實現混合動力驅動是內燃機車的重要發展方向［8］。通過油—電混合供電，讓柴油機工作在最佳油耗點，而負載功率波動調節由鋰離子電池系統完成，從而實現最佳節油效果。這種供電方式特別適合于調車機車，節油率在30%以上。另外，軌道交通中有大量的軌道工程機械車輛，如隧道內的施工、檢查、維護等作業車輛，出于排放及環?？紤]，這些車輛也非常適合采用油—電混合動力驅動方式，在節能環保的同時，在隧道內可完全關閉柴油機，實現隧道內零排放作業，大大提高作業環境水平。油—電混合動力系統原理如圖6所示。

圖6 油—電混合動力原理示意圖

2.3 油—電—電混合動力

近年來，出現了適用范圍更廣的油—電—電多源混合動力系統，可實現有網和無網狀態下的更長距離的干線牽引［9］，油—電—電混合動力原理如圖7所示。

圖7 油—電—電多源混合動力原理示意圖

2.4 燃料電池混合動力

作為新型能源方式，氫燃料電池得到越來越多的關注和應用，由于氫燃料電池的功率調節速度較慢，因此氫燃料電池不能單獨作為供電電源驅動牽引及輔助負載，一般與鋰離子電池或超級電容一起，組成混合動力系統，為車輛提供能源［10］，燃料電池混合動力原理如圖8所示。

圖8 燃料電池混合動力原理示意圖

3 鋰離子電池的特性及適應性分析

3.1 軌道交通裝備對鋰離子電池的應用需求

軌道交通裝備是應用于軌道交通特種行業的工業應用產品，而電動汽車是民用產品，這樣的差別造成軌道交通裝備與電動汽車對動力鋰離子電池需求不同，主要體現在以下幾個方面。

（1）功率需求

與電動汽車相比，軌道交通裝備的速度及功率等級較高。電動汽車功率較小，充放電倍率一般不超過1 C［11］，而在軌道交通裝備上，在自重及空間限制下，如果不能增加裝機容量，將造成鋰離子電池系統充放電倍率比電動汽車高出5~10倍，同時，對散熱需求大幅增加。

（2）能量需求

與電動汽車相比，軌道交通裝備續航里程要求相對較大，因此電池裝機容量較多，較大的裝機容量將帶來安全防護、電池成組、散熱等諸多問題，技術難度較大。

（3）壽命需求

按照統計數據，對于家用電動汽車，每天的運行里程不超過50 km，也就是說每天充放電次數不到1次，按照容量不低于新電池的80%的電池退役標準，電動汽車用鋰離子電池可以基本滿足8 a或者不超過12萬km的質保要求［12］。軌道交通機車車輛屬于工業用途的載客或載貨營運車輛，每天營運時間超過10 h，充放電次數超過5次，甚至高達10次以上。普通電動汽車用鋰離子電池循環壽命較短，在這樣的高強度應用條件下，容量將很快衰退至80%，造成更高的電池更換成本。

（4）環境需求

電動汽車的屬地特性較強，很少有車輛高頻次地在極寒的北方與極熱的南方之間運行。而軌道交通裝備的特點是承擔全鐵路網大范圍的運輸作業，高、低溫的頻繁交替給動力電池的安全應用提出了極高的要求［13］。

（5）安全性需求

與電動汽車相比，軌道交通車輛載荷大、人員密集度高，一旦出現安全事故，救援及事故處理難度極大，會造成較大的人員及財產損失。因此，軌道交通車輛對相關車載設備的要求是在極端情況下，不能爆炸及起火，相關要求明顯高于電動汽車。

3.2 現有鋰離子電池的特性對比分析

磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的正極材料分別是磷酸鐵鋰（LFP）和鎳鈷錳（NCM），負極材料是石墨，鈦酸鋰電池的正極材料通常是鎳鈷錳，負極材料是鈦酸鋰（LTO），這導致這3類電池在特性參數上有很大不同，參數對比見表1。

表1 不同體系鋰離子電池參數對比

從3種鋰離子電池的特性參數來看，主要差別在于：

（1）能量密度。由于三元鋰電池采用高容量、高電壓的正極三元材料和電壓平臺較低的石墨負極，使得三元鋰電池的能量密度在3種電池中的能量密度最高。根據鎳含量的不同，三元電池的能量密度也有差異，最高可大于250 Wh/kg。磷酸鐵鋰正極材料的電壓平臺較低，且比容量與三元材料相比也較低，使得磷酸鐵鋰的能量密度小于三元電池。而鈦酸鋰電池負極采用的是鈦酸鋰材料，負極電壓平臺相較石墨而言明顯較高，使得鈦酸鋰電池能量密度下降明顯，因此，鈦酸鋰電池能量密度最低。由于電動汽車設備安裝空間較小，對質量要求較高，因此鋰離子電池的高能量密度是電動汽車追求的重要指標。軌道交通裝備對鋰離子電池系統的安裝空間、質量不如電動汽車要求高，因此，與其他參數相比，能量密度參數指標并非重要追求指標。

（2）功率密度。在3種電池中，三元和磷酸鐵鋰電池受負極倍率特性的影響，倍率特性較差，而鈦酸鋰電池為三維鋰離子傳輸結構，倍率特性大幅度提升，因此，鈦酸鋰電池的倍率特性在3種電池中位居首位，在大功率牽引場合應用占據優勢。

（3）循環壽命。鈦酸鋰材料為零應變材料，在充放電循環過程中，基本上不發生體積膨脹和收縮，使得鈦酸鋰電池具有超長的循環壽命，最長可達20 000次循環［14］。由于三元材料在循環過程中容易發生結構轉變，導致電池容量跳水，導致三元鋰電池循環壽命較低，一般不超過3 000次［15］，而磷酸鐵鋰材料相較三元材料而言，結構穩定性較好，循環壽命較三元長，可達5 000次。通過對比分析，鈦酸鋰電池更適合于充放電頻繁的軌道交通裝備應用。

（4）環境適用性。鈦酸鋰電池由于其自身結構特性，使得其在寬溫度范圍內的充放電特性均優于其他2種電池［16］，受負極電位低的影響，低溫下石墨負極容易發生析鋰，會有由于析鋰而產生的內短路的安全風險［13］。因此，鈦酸鋰電池更適合于軌道交通裝備應用。

（5）安全性。內短路風險最低的是鈦酸鋰電池［17］，這是因為三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的負極都為石墨，會產生由于析鋰而導致的內短路風險，而鈦酸鋰電池的負極為鈦酸鋰材料，基本不會發生析鋰，內短路風險極低。此外，電池系統中熱失控存在熱擴散和熱蔓延，鈦酸鋰電池的本征安全性使得其在發生熱失控時對周圍電池的影響程度較低，因為從能量的角度出發，三元>磷酸鐵鋰>鈦酸鋰，所以電池發生單體熱失控后系統產生熱蔓延的風險也如上排序。

（6）經濟性。目前按照單體和系統的首次購入成本而言，從低到高的順序為磷酸鐵鋰<三元<鈦酸鋰，但通過前面對循環壽命的分析可知，鈦酸鋰電池的壽命是磷酸鐵鋰和三元的4~7倍，因此考慮全生命周期應用，按照度電成本計算，鈦酸鋰電池在3種電池中成本最低。在機車車輛的30 a生命周期內，綜合考慮購入成本和使用成本，鈦酸鋰電池最具經濟性。

通過從能量、功率、壽命、安全、經濟和環境6方面對3種電池進行對比分析，鈦酸鋰電池在除能量密度外的其他方面明顯優于其他類型鋰離子電池，因此更適用于軌道交通裝備應用。

4 結論

通過以上分析可以看出，以鋰離子電池為代表的車載儲能系統技術將在軌道交通裝備上得到越來越多的應用。當前階段，鈦酸鋰電池以其優良的功率特性、循環壽命特性、環境適用性、安全性、經濟性等特性，非常適用于軌道交通裝備應用。隨著鋰離子電池技術及產業的不斷發展，新的材料體系電池不斷涌現，如固態電池等，新能源軌道交通技術將迎來更好的發展前景。