磷酸鐵鋰電池在軌道交通供電系統中的應用

劉海鵬

【摘 要】隨著軌道交通供電系統智能化和高度自動化的發展趨勢，對應急電源提出了更高的要求。磷酸鐵鋰電池在汽車領域已經廣泛采用，在軌道交通領域未大范圍采用。本文對磷酸鐵鋰電池的工作原理進行簡述，與常規鉛酸電池的性能進行對比、簡述磷酸鐵鋰電池在軌道交通變電應急照明系統中的應用，最后對磷酸鐵鋰電池存在的問題進行總結。

【關鍵詞】磷酸鐵鋰電池 軌道交通 鉛酸電池

地鐵供電系統中蓄電池電源為車站及區間應急照明提供后備電源。目前蓄電池電源普遍采用傳統的閥控式密封鉛酸蓄電池的形式，該電池以其成本低廉、技術成熟、維護方便得到廣泛的應用。然而磷酸鐵鋰電池具有相對于鉛酸電池的體積小、重量輕、能量密度高、密封好、無泄漏、無記憶效應、放電性能好、自放電率低、充電迅速、循環壽命長、工作環境穩定范圍寬等特點，所以在供電系統蓄電池電源方面具有非常廣泛的應用前景。

1 磷酸鐵鋰電池的工作原理

鋰離子電池的定義是分別用兩個能嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極結構的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作的獨特機理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅電池”，俗稱“鋰電”。磷酸鐵鋰電池內部結構可分為極板、隔板、電解液、外殼、安全閥、端子等，如圖1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池內部結構

圖1中，左邊是橄欖石結構的LiFePO4，作為電池的正極，由鋁箔與電池正極端子連接，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極端子連接。中間是隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子可以通過而電子不能通過，電池的上下端之間是電池的電解質，為鋰離子運動提供運輸介質。

LiFePO4電池在充電時，外界電流從負極流向正極，導致正極中的鋰離子從磷酸鐵鋰等過度金屬氧化物的晶格中脫出，經過液態電解質這一橋梁，通過隔膜向負極遷移，并嵌入碳素材料負極的層狀結構中。正極材料的體積因鋰離子的移出而發生變化，但本身的骨架結構維持不變。

LiFePO4電池在放電時，負極中的鋰離子從碳素材料層間脫出，經過液態電解質這一橋梁，通過隔膜向正極遷移，并嵌入正極材料的晶格中，相應地電流從正極經外界負載流向負極。磷酸鐵鋰材料為橄欖石型磷酸鹽類嵌鋰材料，晶體結構穩定，充放電過程中不易發生變形或破壞。同樣，鋰離子反復嵌入和脫出只會引起負極材料的層間距變化，不會引起材料晶體結構的破壞。

2 磷酸鐵鋰電池相比鉛酸電池的優勢

（1）長壽命。鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高為500次。 而磷酸鐵鋰電池循環壽命達到2000次以上，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。由于蓄電池組長期處于浮充電狀態，同質量的鉛酸電池使用壽命在3年左右，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達到7～8年。

（2）可大電流快速沖放電。在專用充電器下，磷酸鐵鋰電池可在1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿，標準放電為2～5C，連續高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10S）可達20C，起動電流可達2C，而鉛酸電池現在無此性能。圖2為不同放電倍率下的放電曲線。

圖2 磷酸鐵鋰電池在不同放電倍率下的放電曲線

（3）體積小、重量輕。同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。同時采用模塊化設計，更換電池更方便。單面蓄電池屏鉛酸電池最大安裝容量為100Ah。而采用磷酸鐵鋰電池，單面蓄電池屏最大安裝容量為150Ah。

（4）綠色環保。鉛酸蓄電池中存在著大量的鉛，在廢棄后若處理不當，將對環境產生污染，而鋰材料無任何有毒有害物質，被世界認為綠色環保電池，該電池無論在生產及使用中均無污染，成為廣為關注研究的熱點。

（5）使用安全。磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈的碰撞下會產生爆炸對消費者的生命安全構成威脅，而磷酸鐵鋰以經過嚴格的安全測試即使在最惡劣的情況下也不會產生爆炸。

（6）高能量密度。能量密度是指在一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度是指平均單位體積或質量所釋放出的電能。在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鉛酸電池的3～4倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鉛酸電池的體積會更小，重量更輕。相同容量的磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池相比，體積減少25%～30%，重量減少50%～60%。

（7）出色的高溫性能。磷酸鐵鋰電池熱峰值可達350～500攝氏度，工作溫度范圍寬廣，高穩情況下仍可放出100%的容量。

（8）無記憶效應。可充電電池在經常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鉛酸電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處于什么狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。表1示出的是鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池性能對照。

3 磷酸鐵鋰電池在應急照明屏中的應用

軌道交通用應急照明屏正常由交流屏內交流電源供電，在發生交流電源故障后由蓄電池組經逆變裝置逆變后變為交流電給應急照明負荷供電。系統原理圖見圖3。

圖3 應急照明系統原理圖

磷酸鐵鋰電池組系統采用模塊化設計，標準模塊由若干個相同規格的磷酸鐵鋰電池單體并聯而成，電池組再由若干個標準模塊串并聯而成。磷酸鐵鋰電池組系統安裝在電池屏內，典型的電池屏尺寸為500mm*600mm*2200（寬*深*高）。

由于磷酸鐵鋰電池生產工藝比較復雜，單體電池的一致性差異會比鉛酸電池大，這就導致電池組在充電后期個別電池的電壓迅速上升，加之軌道交通變電所長期處于無人值守狀態，不容易及時發現，從而造成磷酸鐵鋰電池組壽命減短或者損壞的現象，為了避免以上現象，保證磷酸鐵鋰電池達到運行最佳狀態，在使用時需要采用電池管理系統（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM）。

BMS系統是電池保護和管理的核心組成部分。作為應急照明系統的后備電能，BMS系統在正常交流電源與電池組之間起到橋梁作用。BMS系統的安全管理模式對電池的安全性能至關重要，主要包括數據采集單元、計算以及控制單元等。BMS系統具有電池的充放電保護、故障預警及處理、絕緣電阻測量、高電壓預警管理、電池剩余容量估算、單體電池測量、電池溫度測量、系統時間記錄等功能。，不僅保證了電池安全可靠，而且充分發揮了電池的性能并延長了使用壽命。

4 磷酸鐵鋰電池存在的問題

（1） 磷酸鐵鋰電池的低溫充電性能稍差，充電溫度需高于0℃。否則電池的不可逆容量會隨著溫度的降低而升高。

（2）磷酸鐵鋰價格雖然呈下降趨勢，但是仍然相對偏高。其價格是進口鉛酸蓄電池對應電池的3倍，是國產鉛酸蓄電池8-9倍。

（3）磷酸鐵鋰電池在軌道交通供電系統中僅在個別工程中使用，還未經過長期的、大量的實踐驗證，可靠性有待檢驗。

5 結語

磷酸鐵鋰電池雖然一次性投入成本較高，但是通過與常規電池的性能比較分析，我們發現磷酸鐵鋰電池的性能遠高于鉛酸電池，且使用磷酸鐵鋰電池環保、無污染。目前磷酸鐵鋰電池已經應用于上海軌道交通11號線等線路的UPS系統、上海軌道交通車輛基地光伏發電系統等，并且即將應用于上海軌道交通的新線建設中。可以預見，隨著磷酸鐵鋰電池技術的不斷提升及價格的下降，磷酸鐵鋰電池在軌道交通領域尤其是應急照明系統將獲得廣泛的應用。