磷酸鐵鋰電池的優勢及其性能對比分析

林鶴 馬亮 王全恒 杜孟強 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，已經成為軌道交通替換鉛酸電池的新選擇。以青島地鐵2號線遼陽東路車輛基地供電專業直流屏電源用磷酸鐵鋰電池為例，對比分析鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池在我國軌道交通中的性能、運維及安全等技術要素，闡述該方案可以成為城市軌道交通蓄電池選型的新途徑。

關鍵詞：鉛酸電池；磷酸鐵鋰電池；綠色城軌；浮充；運維；安全

中圖分類號：U461? 收稿日期：2023-09-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405028

1 應用背景

青島地鐵2號線從2017年12月開通至今，電源系統中使用了大量的鉛酸蓄電池，存在鼓包漏液、極柱腐蝕、內阻增高等問題，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、無蓄電池監測系統等，使得蓄電池運維管理費時費力、運維難、效率低、成本高。青島地鐵運營公司一直在尋找性能更優、系統更完善、安全性更高的新型蓄電池系統的解決方案［1］。

近年來，隨著國家新能源產業的崛起，磷酸鐵鋰電池憑借體積小、安全性高、綠色環保、免維護等特點，在電動汽車、公交、電力、銀行、數據中心、軌道交通等領域廣泛應用。同時國家“雙碳”政策體系的構建，青島地鐵也出臺了一系列綠色城軌的政策，提倡使用綠色能源產品，因此青島地鐵運營二中心在遼陽東路車輛段牽混所對磷酸鐵鋰蓄電池進行試用研究，選用了一套ES217V100Ah的磷酸鐵鋰電池系統，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、含鉛不環保、氣體復合效應對溫度敏感、循環壽命短等諸多短板，長時間使用會因極柱腐蝕導致內阻增高，存在安全隱患。鉛酸電池質量比能量為35～40 W·h/kg，遠低于市面上的鋰電池，被高性能替代是必然。

b.從蓄電池發展角度來看：蓄電池經歷鉛酸電池、鎳鎘電池以及現在的鋰電池、燃料電池、鈉離子電池等，蓄電池朝著能量密度越來越高、越來越環保、安全性能越來越好、蓄電池管理越來越完善的方向發展。因此鉛酸電池被替代也是蓄電池技術發展的必然。

c.從運維管理角度來看：首先，鉛酸電池成組結構為串聯結構，因內阻一致性問題，單節出現問題需要整組更換，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裝置，日常運維需要清灰、電壓測量、內阻測量、觀看爬酸漏液狀態等，數量越多維護量越大，運維成本越高。鉛酸電池循環壽命低，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維效率低、運維成本高、智能化程度低。

d.從安全角度來看：鉛酸電池外殼為ABS材質，遇明火易燃且產生濃煙，熱失控會導致連鎖反應；鉛酸電池因極化腐蝕會導致內阻增高，存在安全風險；鉛酸電池對溫度敏感，有氣體復合效應，其氣體有毒有害，現場需要有良好的通風散熱環境。

因此，鉛酸電池因自身性能差、運維管理難成本高、安全性能差且國家支持力度低等因素，其被替換是必然結果，符合蓄電池技術發展的自身規律。

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、壽命相對較短；錳酸鋰電池成本低，但其材料本身不太穩定，容易分解產生氣體，且高溫性能較差，電池溫度不能超過80 ℃，其循環壽命衰減較快、壽命相對較短，這兩種結合其優點常常被用作鋰電池生產的原材料，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面影響。

鈦酸鋰電池具有高安全、長壽命、耐溫寬等特點，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用。

磷酸鐵鋰電池的比容量低于三元，但其安全性能優異，即使在高溫下仍可保持較穩定的結構，因此磷酸鐵鋰電池安全可靠，即使電池出現變形損壞時也不會出現冒煙、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［2］。

綜合上述分析，城市軌道交通蓄電池選擇優先考慮安全，其次性能、運維、管理等方面，磷酸鐵鋰電池具有高安全、環保且免維護，是所有鋰電池中最適合城市軌道交通應用場景的蓄電池。上海、北京區域地鐵批量應用磷酸鐵鋰電池系統，特別是上海，有10余年應用歷史且涵蓋地鐵各個專業電源系統，從全生命周期來看，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 新舊蓄電池性能對比分析

青島2號線遼陽東直流屏系統原有蓄電池為艾諾斯Genesis系列蓄電池，共18節，單節為12 V、150 A·h規格，改造后增加一套217 V、100 A·h的磷酸鐵鋰電池系統，兩套互為備用。

41 性能對比

表1所示為磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池在性能參數上的對比，可以看出：

a.兩者在實際使用中均采用了機柜式安裝方式，實際占地體積相等（磷酸鐵鋰電池機柜還有空余空間，鉛酸電池機柜基本滿載），但從單體規格來看，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.在單節電池容量上，鉛酸電池150 A·h和磷酸鐵鋰電池100 A·h，從實際核容放電來看，兩者均滿足3 h備電的設計需求（鉛酸電池早期可以滿足，現使用已久容量已無法滿足），也體現出磷酸鐵鋰電池放電倍率高于鉛酸電池的優勢。

d.在溫度范圍，鉛酸電池因化學反應產生氣體且受溫度影響大，溫度高時易產生副反應。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.在環保性能上，鉛酸電池含鉛屬重金屬污染，國家已經開始征收消費稅，而磷酸鐵鋰電池是公認的綠色環保電池，其環保性能更好，符合“碳中和”“碳達峰”等要求，后續蓄電池均注重環保性能。

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，基于溫升對蓄電池循環壽命影響，鉛酸電池在實際放電倍率均不會超過05 C，遼陽東直流屏實際負載電流為30 A左右，其電池放電倍率為02 C。而磷酸鐵鋰電池從規格書可以看出，最高支持25 C的放電倍率，從遼陽東實測數據來看，其放電率約為03 C，高于鉛酸的放電倍率。

h.在循環壽命上，鉛酸電池標稱壽命為6～8年，實際使用過程為5年左右，其容量衰減嚴重，80%DOD的次數為500～600次，其循環壽命遠低于磷酸鐵鋰電池的10～15年及2 000次以上。

綜上對比表明，在蓄電池性能上，磷酸鐵鋰電池能量密度高、綠色環保、更安全、循環壽命更長、工作環境溫度范圍更寬，比鉛酸電池更能適應地鐵的實際應用環境。

42 運維對比

在日常維護中，鉛酸電池常裸露放置，長時間易積累灰塵，不及時清理會影響供電及因發熱引發安全隱患，因此鉛酸電池維護需要對環境進行檢測，對本體清灰，檢測本體是否有爬酸漏液情況以及電池本體的內阻檢測、電壓檢測等檢測。因早期蓄電池未配置巡檢儀，完全靠人工檢測判斷故障，人工測量繁瑣有觸電風險而且還會出現人為測量誤差，效率低。而磷酸鐵鋰電池自帶完善的電池管理系統，只需要查看電池管理系統的運行狀態告警信息就可以實時看到每個單體的詳細運行狀態以及告警信息，集成的傳感器檢測精度更高，效率更高，密封的電池本體無須清灰處理，配合遠程平臺進行曲線分析故障預警，真正實現免維護，無形中節省大量的維護成本［3］。

磷酸鐵鋰電池為串并聯結構，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，當某一只出現故障時需要進行整體更換，這主要是由于鉛酸電池組需要保持電池內阻一致性緣故。內阻不一致會導致部分電池過充而部分電池未充滿，過充會引發安全事故，內阻差異大也會導致電池循環壽命的衰減，在實際維護中各個廠家也不建議新舊混用。因此無論其帶巡檢儀還是不帶巡檢儀，都只是實現設備的監控功能，都無法做到精確管控每個單體。而磷酸鐵鋰電池自帶的管理系統可以精準管控每個單體電池，通過主動均衡和被動均衡將電池容量電壓保持一致，延長蓄電池的浮充壽命。通過對BMS設計可以實現對蓄電池的充放電控制，因此磷酸鐵鋰電池在實際使用中其循環次數會超過3 000次。鉛酸電池由于笨重，地鐵的蓄電池機房設置在地下層，需要人工搬運電池，因此系統越大電池數量越多，需要搬運的人力更多，維護成本更高。

因此，磷酸鐵鋰電池擁有完善的電池管理系統，可以全面監管蓄電池運行狀態。從實際運維管理節約大量的人工成本，降低了運維成本，設備輕巧更換容易，也有助于提升管理效率。電池管理系統具備豐富的接口，支持遠程管理及信息上傳，可真正實現無人化值守，推動蓄電池智能化管理進程。

5 結語

目前，大量實際應用驗證了磷酸鐵鋰電池完全可以替代鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池無論是其自身性能、環保性能，還是安全性能都勝于鉛酸電池。2022年青島地鐵發布《綠色城軌發展實施方案》，以綠色轉型為主線，節能降碳為重點，智慧賦能，創新驅動，建設綠色城軌，實現碳達峰碳中和目標。遼陽東磷酸鐵鋰電池系統應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。綠色城軌是一個任重道遠的目標，需要不斷推出更加高效、節能、環保的綠色城軌交通技術，建立健全監管機制，探索城軌交通綜合管理模式，才能真正實現城市綠色出行的一體化。

參考文獻：

[1]宋麟，李繼元磷酸鐵鋰電池在鐵路通信領域中的應用[J]通信電源技術，2019，36（S1）：62-65

[2]汪偉偉，丁楚雄，高玉仙，等磷酸鐵鋰及三元電池在不同領域的應用[J]電源技術，2020，44（9）：1383-1386

[3]李玉昇，何茜，張瑜通信用鋰電池安全設計與應用探討[C]//2020年中國通信能源會議論文集北京：中國通信學會，2020：5

作者簡介：

林鶴，男，1990年生，工程師，研究方向為地鐵供電系統。