鈦酸鋰電池在城市軌道交通的適用性研究

吳 健 ，張言茹 ，鄭鑫杰

（1. 北京交通大學電氣工程學院，北京 100044；2. 國家能源主動配電網技術研發中心，北京 100044）

近年來，智能化與節能化是軌道交通車輛發展的趨勢。車載設備的數量呈上升趨勢，采用新材料新裝備來降低列車總重與列車運行能耗已成為目前研究的熱點。在軌道交通中加裝車載儲能系統或地面儲能系統可以充分利用列車再生制動能量并可通過能量管理策略提高運行效率，最終達到節能減排的目的[1]。利用車載儲能系統作為主驅動能源，既取消了影響城市景觀的架空供電線，還可大幅減少綜合建設及運營成本。

目前在車載儲能中常用的儲能元件有鋰離子電池和超級電容兩類。超級電容的主要優點有充放電速度快，循環次數高于鋰離子電池，效率高、功率密度高，可承受溫度范圍寬，但其也有著不可忽略的缺點，即能量密度低，不適用于城際列車，且對于目前的超級電容研究進展而言，短時間內增大超級電容的能量密度難度過大。而鋰離子電池相對能量密度較高，且近兩年能量密度、溫度適應性及安全性等性能不斷提升，逐漸應用于城市軌道交通儲能中。鋰離子電池在城市軌道交通的主要應用模式有[2]：①作為第二動力牽引源，配合燃料電池或其他動力源，調整電池出力從而提高供電效率，并且在制動時回收制動能量；②作為列車輔助電源使用；③作為有軌電車車載儲能，無需牽引供電網，減少建設成本，提高城市美觀；④作為備用電池用于地鐵自牽引，在車輛供電故障時將車牽引至站點疏散乘客；⑤在地面儲能中解決變電站容量不足問題。

目前，已經有部分城市軌道車輛或城際車輛應用鋰離子電池作為車載儲能。2017年日本EV-E801系列車車載360 kWh鋰離子電池，可在交流電氣化區間和非電氣化區間運行。2018年，Alstom公司推出了新一代有軌電車 Citadis X05，其特別之處在于安裝了Alstom的SRS充電系統和Citadis Ecopack能量存儲系統，新的充電和能量存儲系統使得有軌電車可以在無接觸網條件下運行。Siemens公司開發了 Sitras HES技術，并將其用于Combino Plus有軌電車，Sitras HES混合儲能系統由超級電容器和蓄電池組成，在牽引工況下，車輛由架空線供電，在制動工況下，再生的電能有1/3反饋到架空線，1/3被儲能系統吸收，1/3用于車上的輔助設備，可實現30%的節能。在中國，2016年11月，以鋰離子電池動力包為牽引動力的空中懸掛式軌道列車在成都正式掛線運行；2018年 InnoTrans展會上，中車青島四方機車車輛股份有限公司發布了新一代碳纖維車體地鐵車輛“CETROVO”，將動力蓄電池技術應用于該地鐵列車，動力電池在兼顧制動能量回收的同時，可以實現無接觸網供電下的自牽引及輔助系統供電等功能。電池系統采用鈦酸鋰電池，整車配置電量75 kWh，可為車輛提供牽引動力行駛15 km[3]。

針對目前軌道交通中主流的鈦酸鋰電池儲能，筆者從鈦酸鋰電池的發展、鈦酸鋰電池的主要性能特點探討鈦酸鋰在軌道交通車輛的適用性問題，并指出目前成組方面鋰離子電池主要應用模式和相對于其他儲能元件的特殊性，最后分析了鈦酸鋰電池應用于軌道交通中亟需解決或關注的技術難點。

1 鈦酸鋰電池的發展

鋰離子電池是指將鋰離子嵌入化合物作為正、負極的二次電池。隨著國家節能環保戰略的推進，鋰離子電池已廣泛應用于電動汽車。大規模的產業發展使鋰離子電池的能量密度、功率密度、循環壽命等性能指標不斷提升，同時也促進了新型電池的研究和發展。

1.1 鋰離子電池種類

鋰離子電池種類較多，根據所用電解質分類，鋰離子電池可以分為液體鋰離子電池(通常所說的鋰離子電池)、聚合物電解質鋰離子電池和全固態鋰離子電池[4]。目前廣泛使用的是液體電解液電池，固態鋰離子電池由于較高的安全性和能量密度成為研究的熱點，但是目前還未能商業化量產；根據形狀不同，鋰離子電池可以分為圓柱形電池、方形電池和軟包電池；根據電池正極材料分類，常見的電池包括鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元電池(鎳鈷錳或鎳鈷鋁)等；還可以根據所采用的負極材料分類，如石墨負極電池、鈦酸鋰電池、硅碳負極電池等。目前商用化比較廣泛的電池主要有磷酸鐵鋰體系、鎳鈷錳三元電池體系和鈦酸鋰電池體系，其中三元電池和磷酸鐵鋰電池在電動汽車中應用比較廣泛，鈦酸鋰電池由于目前成本較高且能量密度低，在電動汽車中應用較少，但憑借高安全性和長壽命受到軌道交通行業的青睞。

1.2 鈦酸鋰電池結構

鋰離子電池負極材料多采用嵌鋰碳材料，但是石墨電極的電位與金屬鋰的電位很接近。當電池過充電時，碳電極表面易析出金屬鋰，會形成枝晶，鋰離子在反復地嵌入和脫出過程中，會使碳材料結構受到破壞[5]。

鈦酸鋰電池體系的正極采用鈷酸鋰、錳酸鋰或三元材料，負極采用鈦酸鋰材料。與碳材料相比，鈦酸鋰相對于Li的電極電位高(為1.55 V)，其電化學穩定性和安全性更好。同時，鈦酸鋰電池具有尖晶石結構，形成了其特有的三維鋰離子擴散通道。圖1展示了鈦酸鋰晶體結構，在鋰離子的鑲嵌及脫嵌過程中，晶體結構可以保持高度的穩定性，即晶格常數變化很小。鈦酸鋰具有十分平坦的充放電平臺，即充放電循環過程中，體積變化可以忽略不計，因此鈦酸鋰是一種“零應變”電極材料[6-7]。

圖1 鈦酸鋰晶體結構示意圖Figure 1 Schematic of lithium titanate crystal structure

綜合以上材料特征，鈦酸鋰具有以下獨特的優越：①在鋰離子嵌入-脫出的過程中晶體結構能夠保持高度的穩定性，使其具有優良的循環性能；②在低溫下減少析鋰風險，一方面能夠在低溫下大電流充電，另一方面具有高安全性；③特有的三維通道使鈦酸鋰電池具有較好的倍率特性，可適用于大功率快速充放電場合。

1.3 主要生產廠家及技術特點

國外比較知名的鈦酸鋰電池廠商有日本東芝和美國奧鈦。中國可量產鈦酸鋰電池的廠家主要有中信國安盟固利動力科技有限公司、湖州微宏動力系統有限公司、珠海銀隆新能源有限公司、四川國創成新能源有限公司等[8]。

日本東芝集團早在 2007年就生產出以鈦酸鋰作為電池負極的鋰離子電池，如圖2所示，稱其為超級充電離子電池(super charge ion battery，SCiB)，并且該電池能用僅僅5 min時間充滿90%的能量。而日本東芝集團作為開發鈦酸鋰電池最早的企業之一，目前集團旗下最新的 SCiBTMSIP系列鈦酸鋰電池在安全性、充電速度、循環壽命、低溫性能以及放電深度等方面都有不俗的表現。

圖2 東芝鈦酸鋰電池Figure 2 Lithium titanate battery of Toshiba

在中國廠商中，中信國安盟固利動力科技有限公司目前鈦酸鋰電池的產品規格較多，根據不同的應用場合有較多選擇，該公司能量功率型25 Ah的鈦酸鋰電芯產品(如圖 3所示)裝載于青海德令哈有軌電車，是目前海拔最高的有軌電車路線。微宏的主要產品由第一代LpT發展到第二代LpCO快速充電電池，10 min內可完成快速充電。中國另一家鈦酸鋰電池廠商是2010年收購了當時擁有先進技術的美國奧鈦公司51%股份的珠海銀隆新能源有限公司，在吸收消化奧鈦公司的先進技術之后，珠海銀隆公司開始投產鈦酸鋰電池(如圖4所示)，銀隆將鈦酸鋰電池應用于新型純電動公交車，解決公交車快充問題。四川國創成也專注于鈦酸鋰電池的研發與生產，完成的新能源礦車DF45E在復雜礦區工作，實現了50%～70%的節油率。

圖3 盟固利25Ah鈦酸鋰電池Figure 3 25 Ah lithium titanate battery of MGL

圖4 銀隆鈦酸鋰電池Figure 4 Lithium titanate battery of Yinlong

1.4 鈦酸鋰電池在軌道交通中的應用

在 2018 年柏林軌道交通技術展覽會上，中國中車展出的新型混合動力調車機車和新一代碳纖維地鐵均將鈦酸鋰電池應用于動力系統，這標志著鈦酸鋰電池技術已成為軌道交通的新趨勢。隨著車輛步入綠色智能的新時代，鈦酸鋰電池將會在調車機車、高鐵、有軌電車、地鐵和廠礦自備車上獲得更加廣泛的應用。

1) 國鐵調車機車。鈦酸鋰電池可作為動力電源應用在調車機車上。既有的國鐵調車機車普遍存在柴油機空載油耗高、能源浪費嚴重、廢氣排放量大及噪聲污染嚴重等共性問題。目前中國中車已開始研制3 000馬力(1馬力=0.74 kW)節能環保型調車機車，機車采用“鈦酸鋰電池+柴油機”作為動力系統，以電池作為主動力源，柴油機輔助充電。該車型在綠色環保、節能、減排、降噪等方面更具優勢，對當前中國鐵路調車機車技術升級、更新換代具有重要意義。

2) 高鐵。鈦酸鋰電池可作為輔助電源，保障高鐵的運營安全，也可作為備用動力電源，實現無網自走行功能。目前350 km/h標準化動車組已使用高安全性的鈦酸鋰電池替代鎘鎳電池作為輔助電源，如京張高鐵采用鈦酸鋰電池作為備用動力電源，可無網自走行20 km，為冬奧會的順利舉辦增加了一份保障。

3) 有軌電車。鈦酸鋰電池可作為動力電源應用在有軌電車上，目前有軌電車的供電模式分有網和無網兩種。目前在研的常州有軌電車TI線就選用了鈦酸鋰電池方案，單程12.7 km，僅需在首末站充電4 min即可實現運行。

4) 地鐵。昆明地鐵 5 號線車輛輔助電源系統選用鈦酸鋰電池，每列車的輔助電源配置兩組蓄電池組，并聯為110 V 輔助負載提供應急電源。列車在無網壓時，輔助蓄電池組系統的容量應能夠供給列車內部應急照明、應急通風、應急顯示、維修用電、通信及其控制等應急輔助負載工作 45 min，并保證列車開/關一次車門；同時也需滿足車輛在基地內自牽引2 km的功能要求(僅保證基本的DC 110 V負載工作，此時輔助蓄電池系統AC 380 V輸出)。

5) 廠礦自備車。鈦酸鋰電池可作為動力電源，應用在機車、工程車和公鐵兩用車上。與柴油機驅動相比，鋰電池驅動的新能源車不僅實現零排放，滿足國家日趨嚴格的節能減排要求，而且能夠降低運營費用(耗能成本低/免柴油機養護/免油庫維護)，全壽命周期成本更低。與電網驅動相比，不僅大幅節省建設費用，而且不受隧道等特殊路況限制，具有更好的適應性。在“綠水青山”和“最后一公里”等政策的推動下，廠礦企業對綠色環保的新能源車的需求將不斷加大。

2 鈦酸鋰電池性能特點

由于城軌列車具有無污染、客運量大、速度快、啟停頻率高等特點，因此城軌列車的車載儲能系統需具有以下特點：①較高的能量密度；②較高的功率密度；③自放電率小；④循環壽命長；⑤造價低廉；⑥安全可靠；⑦充放電效率高[9]。

傳統的鉛酸電池和鎳鎘電池成本較低、安全性較好，同時技術比較成熟，被大量應用于軌道交通的輔助供電系統中，但這兩類電池能量密度很低，且含有重金屬元素，正被逐漸取代。鎳氫電池每項性能都處于中等水平，但自放電率太高，不適合用作大容量儲能元件。鋰電池是新興高性能電池的代表，其能量密度、充放電壽命、自放電率都要優于傳統電池。在各種不同類型的鋰電池中，三元、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰電池比較具有代表性，其主要性能參數見表1。

表1 各種鋰電池關鍵性能參數比對Table 1 Comparison of key performance parameters of various lithium ion batteries

綜合所有指標來看，鈦酸鋰電池無論是循環壽命、充放電倍率以及安全性都有著較大的優勢。因此，鈦酸鋰電池更加適合作為城市軌道交通的車載儲能系統。其中，鈦酸鋰電池的優點可以概括為以下4個部分[10]。

1) 安全穩定性好。鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位高，在充電的過程中可以消除析鋰對其產生的影響，并且鈦酸鋰的平衡電位要高于大多數電解質溶劑的還原電位，因此避免了和電解液之間發生反應，不會形成SEI膜，同時避免了許多副反應，因此很大程度上提升了鈦酸鋰電池的安全性。安全穩定性也是軌道交通中最為重要的指標。

2) 快充性能優異。充電性能也一直是用戶特別關注的發展方向，太長的充電時間是阻礙電池發展的關鍵因素。對于相同容量的鋰電池，鈦酸鋰電池的充電性能要明顯優于傳統的鋰電池，如圖5所示，8C倍率仍可充入電量80%以上，該性能可滿足車載儲能站內快速補電的需求，假設在首末站以 8C倍率充電，可實現4.5 min充電60%。

圖5 鈦酸鋰電池不同倍率充電Figure 5 Different rate charging curves of lithium titanate battery

3) 循環壽命長。與采用的石墨作為負極材料的鋰電池相比，鈦酸鋰材料在充放電嵌脫鋰過程中，骨架結構幾乎不發生收縮或膨脹，被稱為“零應變”材料，避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時晶胞體積應變而造成的電極結構損壞的問題，因而具有非常優異的循環性能[11]。目前鈦酸鋰電池的循環壽命超過10 000次，如圖6所示，適用于作為動力源時頻繁充放電的工況。

圖6 鈦酸鋰電池循環壽命Figure 6 Cycle life of lithium titanate battery

4) 耐寬溫性能良好。普通的鋰離子電池在溫度低于–10℃時，充放電性能就會受到影響，尤其是石墨負極電池在低溫充電時易產生析鋰從而引發電池安全問題。而鈦酸鋰電池對于溫度的適應性強，在–40℃到70℃均可正常充放電，具有較好的耐寬溫性能[12-13]，可應用于國內大多數區域。

3 鈦酸鋰電池成組技術

為了達到一定的電壓、功率和能量等級，軌道交通用鋰離子電池系統都是由電池單體通過串、并聯的方式組成電池模塊，再由電池模塊最終組成車輛的動力電池系統[14]。串聯是為了提高工作電壓，并聯是為了增加輸出電流來獲得更高的容量，無論是串聯還是并聯，鋰電池組的輸出功率都增加。使用串并聯結合的方法可以達到高電壓高容量標準，滿足軌道交通儲能需求。

3.1 主要成組方式

1) 先并后串電池組拓撲。該拓撲首先將電池進行并聯，達到一定容量后，再將并聯電池組作為單體電池串聯，從而達到一定的電壓等級，如圖7(a)所示。這種結構的主要優點是成組簡單，能解決單體容量不足的問題[15-16]，成組工藝與單體直接串聯相近，因此目前廣泛應用于電動汽車領域。但是，軌道交通大容量的應用特點，并聯數量過多時會因電流過大造成成組困難。

2) 先串后并電池組拓撲。先串后并拓撲目前主要應用在大容量儲能領域，如圖7(b)所示。當電池并聯數量過多時，電池的連接母排，線束都要考慮大電流帶來的發熱及損耗問題從而增加了成組難度，因此部分場景通常采用先串后并的方式解決此問題。這種拓撲的優點為多組并聯，提高了供電的冗余可靠性；但是由于每簇均需要電池管理系統單獨控制，因此增加了電池包的成本，另外，多簇電池在壓差較大時無法直接并聯，因此增加了電池簇投切的控制難度。

圖7 鋰離子電池主要成組方式Figure 7 Main grouping methods of lithium ion batteries

3.2 電池管理技術

與鉛酸電池與鎳鎘電池相比，鋰離子電池本身抗濫用能力偏差，在過充過放后會極大縮短電池的使用壽命，引起性能的極度劣化。在極端情況下，鋰離子電池在短路、過充、過放、高溫等條件下極易引起熱失控的發生，因此鋰離子電池通常需要加裝電池管理系統實現對電池的保護和充放電控制。即使是安全性高的鈦酸鋰電池，通常也會通過電池管理系統實現安全充放電和高效能量利用[17]。

電池管理系統主要功能如圖8所示，一方面保證電池的安全、合理使用，防止電池出現過充、過放、過溫等情況；另一方面，需要通過電池管理系統采集電池單體電壓、溫度、總電流和總電壓等數據，對電池的狀態實時監控，并通過SOX的估算，實現電池系統充放電功率的管理。在系統功能方面，電池管理系統還應具備對電池故障的實時分析能力，對故障進行準確的預警和報警，并上報故障位置。同時電池管理系統與整車或上一級系統實現數據通信，實時接收整車的運行狀態，并上傳電池狀態數據[18]。

圖8 電池管理系統的主要功能Figure 8 Main functions of battery management systems

鈦酸鋰電池管理系統實現了對電池的精細化管理，避免了將串并聯后的電池組看作一只“大電池”進行識別，降低了電池組濫用和不合理使用的概率。并且，通過監控單體電池，電池管理系統實現整組電池的狀態估算，完成對電池狀態的實時監控和故障診斷，并將具體信息通過 MVB或以太網等通信方式傳輸到整車或 TCU，更有助于整車對電池系統的能量控制，延長電池使用壽命，提高能量利用率。作為電化學儲能單元，電池組單體的不一致性、電池衰退的隨機性和不確定性必然存在，單體電壓的采集更有助于實現對電池組一致性評價和針對長壽命特點的全生命周期健康管理。

4 當前研究熱點及展望

目前，鈦酸鋰電池因長壽命、高安全性、寬溫度范圍等優點已經成為城市軌道交通儲能的選擇之一，但隨著鈦酸鋰電池在城市軌道交通中的廣泛應用，電池壽命、全壽命周期健康管理及經濟化運行逐漸成為研究的熱點。

4.1 鈦酸鋰電池壽命評估問題

鈦酸鋰電池具有長壽命的優點，但是在電池組設計階段及運行階段，需要對電池的壽命進行評估及預測，同時需要搭建壽命模型用于全生命周期的健康管理及能量管理[19-20]。

鈦酸鋰電池作為一種電化學元件，其衰退軌跡依賴老化路徑，即運行中的使用工況。在電池組設計初期，通常需要對電池進行壽命測試，從而評估電池壽命問題。但是，一方面鈦酸鋰電池壽命較長，循環測試的時間成本過高；另一方面，由于使用工況不同，通常無法大批量測試各種工況條件下的衰退情況從而進行壽命評估。

因此，目前亟需電池壽命快速測試方法，在短期少量實驗數據中，獲取耦合工況下電池的衰退特征。目前，主流的方法是通過加速應力測試，加速電池老化過程，從而減少測試時間，但是此加速應力下電池的老化機理和常規衰退時不同，因此通常壽命預測準確率較低。因此，目前部分學者采用單應力測試數據，結合機器學習的方法，實現短時數據預測長時間壽命[21-22]。

4.2 車載儲能系統優化匹配及高效能量管理研究

為滿足軌道交通車載儲能系統低成本、輕量化、高效能、智能化的需求，車載儲能系統優化匹配及高效能量管理技術是需要攻克的關鍵問題。主要包括構建城軌列車典型工況、搭建城軌列車全數字仿真平臺、研究全壽命周期成本最小匹配方法以及高效能量管理技術4個方面[23-24]。其中，分析城軌列車的運行特點以及運行需求是優化車載儲能系統配置參數及高效能量管理的前提。而典型工況可以涵蓋城軌列車的特征，對其進行深入研究將有利于設計出低壽命成本以及高性能的城軌列車，同時也為車載儲能系統的測試提供實驗依據。

城軌列車全數字仿真是研究車載儲能系統優化匹配及高效能量管理的模擬平臺。準確且快速的數字化模型，將會大大縮短城軌列車的研制周期，減少開發成本，規避各類故障。同時，數字化仿真平臺將能快速地計算出各種性能指標參數，為進一步的參數匹配及能量管理研究提供計算平臺[25-26]。

車載儲能系統的優化匹配以及高效能量管理技術是研發城軌列車的核心。不合理的匹配將會造成城軌列車全壽命周期成本的增加、各項動力性能指標的下降、能源利用率的下降以及車載儲能系統壽命的縮短。然而，目前針對城軌列車的匹配方法和能量管理還欠缺一套完整的設計體系。因此，對該問題進一步的研究將有利于城軌列車低成本、高效能以及智能化的推進。

4.3 基于離線/在線的全壽命周期電池數據分析

軌道交通應用的儲能系統對儲能元件在嚴苛環境下的高效性、安全性有著較高的要求，因此在儲能系統的監控和管理方面需要高冗余度和高可靠性。并且，鈦酸鋰電池具有長壽命的特點，其壽命的評估需要以月甚至以年為周期的運行數據，短時的評估和預警通常無法正確描述電池的實際健康狀態，這就需要管理系統儲存歷史數據并進行大量運算[27]，但受制于成本、體積等要求，在線管理系統很難滿足儲能元件準確評估的需求，因此，建立數據分析平臺，依托在線實時數據存儲和大量離線歷史數據的計算來彌補在線管理系統的不足，是鈦酸鋰電池系統不可缺少的一部分。

鈦酸鋰電池數據分析的目標是利用海量歷史數據，通過原始數據深入挖掘內在的電池特性，對電池的性能、壽命和安全狀態進行評估和預測，實現電池“定期維護”轉為“狀態維護”，同時實現電池的故障診斷和安全預警，為電池健康管理、異常管理和智能保護控制提供決策依據，提高電池儲能系統運行的安全性與可靠性，提升儲能系統的利用效率[28]。電池數據分析的主要作用概括為以下幾個方面。

1) 電池參數監測與 SOC、SOP估計修正。由于鈦酸鋰電池通常需要大功率充放電，因此對電池系統的SOC和SOP的估算尤其重要。基于工況運行數據或充電數據，更新電池模型參數，可以對電池SOC、SOP進行定期修正，提高全壽命周期電池SOC和SOP的估計精度和魯棒性。

2) 電池健康狀態評估及預測。在城市軌道交通應用中，鈦酸鋰電池系統通常要確保8年甚至于8年以上壽命，后臺數據的分析可用于量化評估電池的老化狀態，包括電池的老化模式及老化程度，并對后續電池壽命健康程度進行預測，為電池耐久性優化管理和維修維護提供決策依據。

3) 電池組一致性判斷與約束性電池識別。基于電池充電曲線，利用曲線相似性、OCV-SOC對應關系等方法，可以對電池組容量、SOC、內阻一致性進行評估，確定電池組一致性，為檢測和維護提供決策依據。基于歷史數據，采用離群點檢測等方法，可以確定劣化嚴重的電池單體，并給出電池劣化原因，為電池檢修和更換提供依據。

4) 電池系統故障診斷與安全告警。通過在線檢測鋰離子動力電池的充放電電流、單體電壓、電池組總電壓及環境溫度等數據，并根據這些數據對鋰離子動力電池可能存在的故障進行判斷，給出相應的處理措施，避免其發生嚴重故障和事故[29-30]。

5 總結

隨著儲能技術的不斷成熟和中國節能環保的戰略需求，鈦酸鋰電池憑借其高能量密度(相比于超級電容)、大倍率性能、長循環壽命、高安全性等優點將會逐步在軌道交通車輛中推廣應用。筆者綜述了鈦酸鋰電池的發展、性能特點及應用場景，著重分析了鈦酸鋰電池在軌道交通中的適用性；從成組方式和電池管理系統兩個層面闡述了鈦酸鋰電池成組過程中的應用特點；最后，面向鈦酸鋰電池的壽命評估、車載儲能的優化匹配及高效能量管理、基于離線/在線的全壽命周期電池數據分析方法，提出了對未來研究方向的展望。