采用磷酸鐵鋰電池儲能的一體化集中供電電源系統研究

李大偉，孫晉敏，楊夏杰

（寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315100）

在《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中提出要建立供配電系統、通信系統等系統的智能運維體系，提升城軌裝備維護智能化程度、提升運維效率，減少維護人工的作業強度，形成城軌裝備智能化。而目前城市軌道交通通信、信號專業大多是各使用一套獨立以鉛酸電池為后備儲能的電源系統，采用UPS 柜、配電柜、電池柜（架）分散方式安裝，蓄電池且需求數量多，不環保，占地面積大，對機房環境溫濕度要求高，存在維護工作量大，后期故障率、維修成本相對較高等問題。

為此通過對磷酸鐵鋰電池儲能一體化集中供電電源系統的設計得明確并對其可行性進行分析，以推動傳統電源系統改造，完成集高壓箱（BMS 管理）、電池模組、CAN 通訊等一體的磷酸鐵鋰電系統，以及集機柜、配電、UPS、電池、精密空調、監控、消防等于一體的一體化系統在通信、信號電源室應用，實現通信、信號電源系統集中供電與智能運維。

1 磷酸鐵鋰電池儲能的一體化集中供電電源系統優勢

1.1 磷酸鐵鋰電池儲能的優勢

（1）智能BMS 管理。對電池模組的電壓、電流、溫度等信息進行實時監測，對鋰電池的運行狀態進行預估，對電池系統起控制和保護作用。

（2）安全性高。采用高安全性和長循環壽命的磷酸鐵鋰正極材料電芯，即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性好；高溫時性能好，磷酸鐵鋰電池在外部溫度55℃時仍能正常工作。

（3）更節能環保。鋰電池自放電率低，更節能。鋰電池不含有鉛、福、汞等有毒物質，沒有對人體有害的重金屬元素。

（4）耐用性好。相對于傳統鉛酸膠體蓄電池，磷酸鐵鋰電池采用1C 充放電循環次數達到2000 次，使用壽命具有明顯優勢；同時鋰電池耐用性較強，消耗慢，并且無記憶效應。

（5）性價比高。磷酸鐵鋰使用壽命與UPS 使用壽命基本同步（10 ～12 年），傳統鉛酸蓄電池使用壽命約為6 ～8 年，考慮到使用過程中需要對鉛酸蓄電池進行改造更換，所以壽命更長具有更高的年化性價比。

（6）安裝維護方便。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，標準機架式設計，安裝方便快捷，安裝密度高，空間利用率好不額外占用機房面積，維護簡單。

1.2 一體化設計系統優勢

（1）占地面積小，改造工作量較小。可將磷酸鐵鋰電系統安裝于現有設備室，更方便實施安裝、布線，減少施工過程引起的污染、噪聲，減少對既有設備影響。同時，對于新建線路，更小的占地面積也能有效降低土建成本。

（2）安全穩定性高。采用磷酸鐵鋰鋰電池模組及BMS 智能管理，本身鋰電池有更好的耐高溫、耐用性，BMS 管理系統又能對電池實時監測，對鋰電池的運行狀態進行預估，對電池系統起控制和保護作用。

（3）環境適應性強。改造后在改善電源系統穩定性的同時，雙柜系統將鋰電系統進行密封冷通道封閉內循環，對外部環境適應性更強；減少機房內粉塵侵入的同時獲得更好的精確制冷效果，減少設備整體故障率；另外配有冷凝水蒸發裝置，避免空調制冷排水問題的困擾。對于新建線路，采用一體化冷通道封閉設計能有效降低施工期間外部粉塵侵入，有效降低因粉塵、潮濕引起的故障隱患。

2 磷酸鐵鋰電池儲能的一體化集中供電電源系統設計

2.1 整體系統結構

（1）系統構成

主體可分為磷酸鐵鋰電池儲能系統與一體化動力系統，通過全封閉式雙機柜并柜方式部署UPS 模塊、鋰電模組、配電模塊、消防模塊、制冷模塊、動環監控等，實現柜內雙通道冷循環保證設備長期安全穩定運行，也使得本系統對安裝環境無過度要求；通過BMS 智能管理可實現對電池模組的電壓、電流、溫度等信息進行實時監測，對鋰電池的運行狀態進行預估，對電池系統起控制和保護作用。顯著提升運營維護的技術水平，大幅減少日常巡視工作量，降低設備故障率以及維護成本，磷酸鐵鋰電池儲能的一體化集中供電電源系統框圖如圖1。

圖1 系統架構圖

（2）系統設計

①一體化柜體部分。采用雙機柜并柜系統，機柜部署冷熱通道：a 密閉冷通道位于IDU 前端，通道寬約175（185）mm；b 密閉熱通道位于IDU 后端，通道寬約175（165）mm。②UPS 部分。采用模塊化N+1 冗余式部署的方式，選用1 套30KVA 模塊化UPS。停電時轉為電池逆變供電；當設備出現故障時，自動切換至旁路交流電源。③配電選型設計。采用機架式精密空調一體化配電柜模式，部署ATS 雙路切換開關，實時監測各支路電壓、電流數據。④制冷部分。采用機架式空調部署的方式，選用1 臺機架式一體化精密空調，自蒸發設計，實現密閉冷通道。⑤監控部分。對系統內UPS、配電、空調、溫濕度、消防、視頻、門禁、漏水等設備的實時數據、設備狀態、實時告警進行管理。IDU 動力環境監控系統可提供系統運行實時數據、視圖、報表的查看。⑥消防部分。配置1 套機架式滅火器，滅火劑采用七氟丙烷（HFC-227ea/FM200），它無色，無味，低毒，不導電、不污染被保護對象，不會對精密設施造成損壞。⑦磷酸鋰電儲能系統。配置1 臺高壓箱及512V，50Ah 鋰電池模組，高壓箱具有對各電池模塊智能BMS 管理功能，有多種通信方式，具備與UPS 和監控裝置的通訊功能；能對電池模組的電壓、電流、溫度等信息進行實時監測，對鋰電池的運行狀態進行預估，對電池系統起控制和保護作用。

2.2 關鍵技術

（1）BMS 智能管理

①電池模擬量高精度監測功能。對電池組實時電壓檢測，電池組充放電電流檢測，單體電池端電壓檢測，電池組多點溫度檢測及漏電監測。

②電池系統運行報警、顯示及上報功能。對電池系統過壓告警，電池系統欠壓告警，電池系統過流告警，電池系統高溫告警，電池系統低溫告警，電池系統漏電告警，電池管理系統通信異常告警，電池管理系統內部異常告警。

③電池系統全壽命周期的保護功能。電池管理系統在電池系統出現電壓、電流、溫度等模擬量出現超過安全保護門限的情況時，將進行故障隔離，將問題電池組串退出運行，同時上報保護信息，并在本地進行顯示。

④均衡功能。本電池管理系統具備被動式均衡功能，通過高效的均衡策略能夠很好得維護電池組的一致性。

（2）磷酸鐵鋰電池儲能

①材料安全性。磷酸鐵鋰電池，是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池不含有任何重金屬元素，是一種安全無毒且環境友好的儲能介質。

②熱安全性。磷酸鐵鋰電池的正極材料呈有序的橄欖石結構，具備優秀的穩定性。因此，磷酸鐵鋰電池的熱分解溫度可達到480℃。同時通過對磷酸鐵鋰材料的燒結實驗可以判定，在熱分解時，磷酸鐵鋰材料不會像三元材料一樣釋放氧氣，而是生成鐵的氧化物，鐵的磷酸化合物及鋰的氧化物等固體物質。

③破壞性測試。磷酸鐵鋰電池在擠壓、短路、過充幾種破壞性測試，測試結果皆不起火、不爆炸，在燃燒測試中也未爆炸。

3 磷酸鐵鋰電池儲能的一體化集中供電電源系統可行性分析

3.1 與傳統電源系統對比分析

在探索基于磷酸鐵鋰儲能介質的智能化、一體化電源系統在軌道交通通信信號系統的應用及創新，本系統相較于傳統電源系統在以下幾方面進行創新，一體化集中供電電源系統于傳統電源系統對比如表1。

表1 一體化集中供電電源對比傳統電源系統

3.2 磷酸鐵鋰與鉛酸對比分析

磷酸鐵鋰電池相對鉛酸蓄電池其工作電壓高、體積小、質量輕、能量密度大、耐高溫環境適應性強、無記憶效應、自放電小、循環壽命長有更高的性價比，無污染便于回收，適用于智能運維等眾多優點，能廣泛使用在各種精密設備上，且有很大的發展潛力。

4 結語

本文對采用磷酸鐵鋰電池儲能一體化集中供電電源系統的構成以及關鍵技術進行了簡要分析，講述其磷酸鐵鋰電系統與IDU 一體化系統在通信信號電源系統中的應用價值。對一體化集中供電電源系統與傳統電源系統以及磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池的性能參數、設備及維護成本、安全系數等進行綜合比較分析，發現磷酸鐵鋰電池儲能一體化集中供電電源系統集成度高，維護智能化程度高，性能耐久性能良好，環境適應性強，循環壽命長有更高的性價比，可以很好提升運維效率，減少維護人工的作業強度，形成城軌裝備智能化。相信隨著技術的成熟和成本日益的優化，一體化集中供電電源系統代替傳統電源系統，磷酸鐵鋰電池取代鉛酸電池會在通信信號電源系統中應用。