林鶴 馬亮 王全恒 杜孟強(qiáng) 王天航

摘要：磷酸鐵鋰電池是一種新型高能量密度鋰離子電池，具有高安全性、可靠性和耐用性等特點(diǎn)，已經(jīng)成為軌道交通替換鉛酸電池的新選擇。以青島地鐵2號(hào)線遼陽(yáng)東路車輛基地供電專業(yè)直流屏電源用磷酸鐵鋰電池為例，對(duì)比分析鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池在我國(guó)軌道交通中的性能、運(yùn)維及安全等技術(shù)要素，闡述該方案可以成為城市軌道交通蓄電池選型的新途徑。

關(guān)鍵詞：鉛酸電池；磷酸鐵鋰電池；綠色城軌；浮充；運(yùn)維；安全

中圖分類號(hào)：U461? 收稿日期：2023-09-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405028

1 應(yīng)用背景

青島地鐵2號(hào)線從2017年12月開通至今，電源系統(tǒng)中使用了大量的鉛酸蓄電池，存在鼓包漏液、極柱腐蝕、內(nèi)阻增高等問題，有起火冒煙的安全隱患，加上鉛酸電池體積大笨重壽命短、更換困難、無(wú)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，使得蓄電池運(yùn)維管理費(fèi)時(shí)費(fèi)力、運(yùn)維難、效率低、成本高。青島地鐵運(yùn)營(yíng)公司一直在尋找性能更優(yōu)、系統(tǒng)更完善、安全性更高的新型蓄電池系統(tǒng)的解決方案［1］。

近年來(lái)，隨著國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)的崛起，磷酸鐵鋰電池憑借體積小、安全性高、綠色環(huán)保、免維護(hù)等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、公交、電力、銀行、數(shù)據(jù)中心、軌道交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時(shí)國(guó)家“雙碳”政策體系的構(gòu)建，青島地鐵也出臺(tái)了一系列綠色城軌的政策，提倡使用綠色能源產(chǎn)品，因此青島地鐵運(yùn)營(yíng)二中心在遼陽(yáng)東路車輛段牽混所對(duì)磷酸鐵鋰蓄電池進(jìn)行試用研究，選用了一套ES217V100Ah的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，如圖1所示。

2 鉛酸電池被替代的必然性分析

a.從蓄電池性能來(lái)看：鉛酸電池存在重、體積大、占用面積大、能量密度低、含鉛不環(huán)保、氣體復(fù)合效應(yīng)對(duì)溫度敏感、循環(huán)壽命短等諸多短板，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)因極柱腐蝕導(dǎo)致內(nèi)阻增高，存在安全隱患。鉛酸電池質(zhì)量比能量為35～40 W·h/kg，遠(yuǎn)低于市面上的鋰電池，被高性能替代是必然。

b.從蓄電池發(fā)展角度來(lái)看：蓄電池經(jīng)歷鉛酸電池、鎳鎘電池以及現(xiàn)在的鋰電池、燃料電池、鈉離子電池等，蓄電池朝著能量密度越來(lái)越高、越來(lái)越環(huán)保、安全性能越來(lái)越好、蓄電池管理越來(lái)越完善的方向發(fā)展。因此鉛酸電池被替代也是蓄電池技術(shù)發(fā)展的必然。

c.從運(yùn)維管理角度來(lái)看：首先，鉛酸電池成組結(jié)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因內(nèi)阻一致性問題，單節(jié)出現(xiàn)問題需要整組更換，由于笨重，更換需要大量人力物力；其次，鉛酸電池依賴第三方檢測(cè)裝置，日常運(yùn)維需要清灰、電壓測(cè)量、內(nèi)阻測(cè)量、觀看爬酸漏液狀態(tài)等，數(shù)量越多維護(hù)量越大，運(yùn)維成本越高。鉛酸電池循環(huán)壽命低，差不多3～5年需要更換一次，膠體電池6～8年更換一次，整體而言鉛酸電池運(yùn)維效率低、運(yùn)維成本高、智能化程度低。

d.從安全角度來(lái)看：鉛酸電池外殼為ABS材質(zhì)，遇明火易燃且產(chǎn)生濃煙，熱失控會(huì)導(dǎo)致連鎖反應(yīng)；鉛酸電池因極化腐蝕會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻增高，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；鉛酸電池對(duì)溫度敏感，有氣體復(fù)合效應(yīng)，其氣體有毒有害，現(xiàn)場(chǎng)需要有良好的通風(fēng)散熱環(huán)境。

因此，鉛酸電池因自身性能差、運(yùn)維管理難成本高、安全性能差且國(guó)家支持力度低等因素，其被替換是必然結(jié)果，符合蓄電池技術(shù)發(fā)展的自身規(guī)律。

3 蓄電池選型參考分析

在目前主流的鋰離子電池中，主要有磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、鈦酸鋰電池等。鈷酸鋰電池具有較高比容量，但安全性最差，且成本高、壽命相對(duì)較短；錳酸鋰電池成本低，但其材料本身不太穩(wěn)定，容易分解產(chǎn)生氣體，且高溫性能較差，電池溫度不能超過80 ℃，其循環(huán)壽命衰減較快、壽命相對(duì)較短，這兩種結(jié)合其優(yōu)點(diǎn)常常被用作鋰電池生產(chǎn)的原材料，因此鋰電池主要看三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池。

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(fù)面影響。

鈦酸鋰電池具有高安全、長(zhǎng)壽命、耐溫寬等特點(diǎn)，但鈦酸鋰電池仍未完全解決充氣臌脹問題，高溫下影響電池性能的發(fā)揮，一致性也比較差且鈦酸鋰能量密度低于其他鋰電池，這些缺陷限制了鈦酸鋰電池的廣泛應(yīng)用。

磷酸鐵鋰電池的比容量低于三元，但其安全性能優(yōu)異，即使在高溫下仍可保持較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此磷酸鐵鋰電池安全可靠，即使電池出現(xiàn)變形損壞時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)冒煙、起火等安全事故；磷酸鐵鋰原材料資源豐富，極大降低了蓄電池的使用成本。相比三元及鈦酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池綜合性能最優(yōu)［2］。

綜合上述分析，城市軌道交通蓄電池選擇優(yōu)先考慮安全，其次性能、運(yùn)維、管理等方面，磷酸鐵鋰電池具有高安全、環(huán)保且免維護(hù)，是所有鋰電池中最適合城市軌道交通應(yīng)用場(chǎng)景的蓄電池。上海、北京區(qū)域地鐵批量應(yīng)用磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，特別是上海，有10余年應(yīng)用歷史且涵蓋地鐵各個(gè)專業(yè)電源系統(tǒng)，從全生命周期來(lái)看，其蓄電池成本低于鉛酸電池。因此，磷酸鐵鋰電池是目前替代鉛酸電池的最佳選擇。

4 新舊蓄電池性能對(duì)比分析

青島2號(hào)線遼陽(yáng)東直流屏系統(tǒng)原有蓄電池為艾諾斯Genesis系列蓄電池，共18節(jié)，單節(jié)為12 V、150 A·h規(guī)格，改造后增加一套217 V、100 A·h的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，兩套互為備用。

41 性能對(duì)比

表1所示為磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池在性能參數(shù)上的對(duì)比，可以看出：

a.兩者在實(shí)際使用中均采用了機(jī)柜式安裝方式，實(shí)際占地體積相等（磷酸鐵鋰電池機(jī)柜還有空余空間，鉛酸電池機(jī)柜基本滿載），但從單體規(guī)格來(lái)看，磷酸鐵鋰電池單體電壓高于鉛酸電池，在體積能量比和質(zhì)量能量比上均高于鉛酸電池。

b.在重量上，磷酸鐵鋰電池的整體重量約為鉛酸電池的一半。

c.在單節(jié)電池容量上，鉛酸電池150 A·h和磷酸鐵鋰電池100 A·h，從實(shí)際核容放電來(lái)看，兩者均滿足3 h備電的設(shè)計(jì)需求（鉛酸電池早期可以滿足，現(xiàn)使用已久容量已無(wú)法滿足），也體現(xiàn)出磷酸鐵鋰電池放電倍率高于鉛酸電池的優(yōu)勢(shì)。

d.在溫度范圍，鉛酸電池因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體且受溫度影響大，溫度高時(shí)易產(chǎn)生副反應(yīng)。而磷酸鐵鋰電池可以在55 ℃下釋放90%以上能量，因此其溫度范圍更廣。

e.在環(huán)保性能上，鉛酸電池含鉛屬重金屬污染，國(guó)家已經(jīng)開始征收消費(fèi)稅，而磷酸鐵鋰電池是公認(rèn)的綠色環(huán)保電池，其環(huán)保性能更好，符合“碳中和”“碳達(dá)峰”等要求，后續(xù)蓄電池均注重環(huán)保性能。

f.在自放電上，鉛酸電池自放電率高于磷酸鐵鋰電池。

g.在放電倍率上，基于溫升對(duì)蓄電池循環(huán)壽命影響，鉛酸電池在實(shí)際放電倍率均不會(huì)超過05 C，遼陽(yáng)東直流屏實(shí)際負(fù)載電流為30 A左右，其電池放電倍率為02 C。而磷酸鐵鋰電池從規(guī)格書可以看出，最高支持25 C的放電倍率，從遼陽(yáng)東實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，其放電率約為03 C，高于鉛酸的放電倍率。

h.在循環(huán)壽命上，鉛酸電池標(biāo)稱壽命為6～8年，實(shí)際使用過程為5年左右，其容量衰減嚴(yán)重，80%DOD的次數(shù)為500～600次，其循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于磷酸鐵鋰電池的10～15年及2 000次以上。

綜上對(duì)比表明，在蓄電池性能上，磷酸鐵鋰電池能量密度高、綠色環(huán)保、更安全、循環(huán)壽命更長(zhǎng)、工作環(huán)境溫度范圍更寬，比鉛酸電池更能適應(yīng)地鐵的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。

42 運(yùn)維對(duì)比

在日常維護(hù)中，鉛酸電池常裸露放置，長(zhǎng)時(shí)間易積累灰塵，不及時(shí)清理會(huì)影響供電及因發(fā)熱引發(fā)安全隱患，因此鉛酸電池維護(hù)需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)本體清灰，檢測(cè)本體是否有爬酸漏液情況以及電池本體的內(nèi)阻檢測(cè)、電壓檢測(cè)等檢測(cè)。因早期蓄電池未配置巡檢儀，完全靠人工檢測(cè)判斷故障，人工測(cè)量繁瑣有觸電風(fēng)險(xiǎn)而且還會(huì)出現(xiàn)人為測(cè)量誤差，效率低。而磷酸鐵鋰電池自帶完善的電池管理系統(tǒng)，只需要查看電池管理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)告警信息就可以實(shí)時(shí)看到每個(gè)單體的詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)以及告警信息，集成的傳感器檢測(cè)精度更高，效率更高，密封的電池本體無(wú)須清灰處理，配合遠(yuǎn)程平臺(tái)進(jìn)行曲線分析故障預(yù)警，真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，無(wú)形中節(jié)省大量的維護(hù)成本［3］。

磷酸鐵鋰電池為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，組裝方式靈活多變，支持新舊混用。而鉛酸電池不支持直接并聯(lián)，當(dāng)某一只出現(xiàn)故障時(shí)需要進(jìn)行整體更換，這主要是由于鉛酸電池組需要保持電池內(nèi)阻一致性緣故。內(nèi)阻不一致會(huì)導(dǎo)致部分電池過充而部分電池未充滿，過充會(huì)引發(fā)安全事故，內(nèi)阻差異大也會(huì)導(dǎo)致電池循環(huán)壽命的衰減，在實(shí)際維護(hù)中各個(gè)廠家也不建議新舊混用。因此無(wú)論其帶巡檢儀還是不帶巡檢儀，都只是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控功能，都無(wú)法做到精確管控每個(gè)單體。而磷酸鐵鋰電池自帶的管理系統(tǒng)可以精準(zhǔn)管控每個(gè)單體電池，通過主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡將電池容量電壓保持一致，延長(zhǎng)蓄電池的浮充壽命。通過對(duì)BMS設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電控制，因此磷酸鐵鋰電池在實(shí)際使用中其循環(huán)次數(shù)會(huì)超過3 000次。鉛酸電池由于笨重，地鐵的蓄電池機(jī)房設(shè)置在地下層，需要人工搬運(yùn)電池，因此系統(tǒng)越大電池?cái)?shù)量越多，需要搬運(yùn)的人力更多，維護(hù)成本更高。

因此，磷酸鐵鋰電池?fù)碛型晟频碾姵毓芾硐到y(tǒng)，可以全面監(jiān)管蓄電池運(yùn)行狀態(tài)。從實(shí)際運(yùn)維管理節(jié)約大量的人工成本，降低了運(yùn)維成本，設(shè)備輕巧更換容易，也有助于提升管理效率。電池管理系統(tǒng)具備豐富的接口，支持遠(yuǎn)程管理及信息上傳，可真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人化值守，推動(dòng)蓄電池智能化管理進(jìn)程。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，大量實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了磷酸鐵鋰電池完全可以替代鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池?zé)o論是其自身性能、環(huán)保性能，還是安全性能都勝于鉛酸電池。2022年青島地鐵發(fā)布《綠色城軌發(fā)展實(shí)施方案》，以綠色轉(zhuǎn)型為主線，節(jié)能降碳為重點(diǎn)，智慧賦能，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，建設(shè)綠色城軌，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。遼陽(yáng)東磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)應(yīng)用為綠色城軌蓄電池改造提供樣板，為蓄電池選型提供參考。綠色城軌是一個(gè)任重道遠(yuǎn)的目標(biāo)，需要不斷推出更加高效、節(jié)能、環(huán)保的綠色城軌交通技術(shù)，建立健全監(jiān)管機(jī)制，探索城軌交通綜合管理模式，才能真正實(shí)現(xiàn)城市綠色出行的一體化。

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作者簡(jiǎn)介：

林鶴，男，1990年生，工程師，研究方向?yàn)榈罔F供電系統(tǒng)。