新能源電池在城軌交通工程車的應用實踐

摘 要：本文介紹了磷酸鐵鋰電池系統在城市軌道交通電力蓄電池機車上的應用情況。從電池的材料、原理、制造、電池系統的測試與安全性、實車應用與系統狀態評估等多個維度進行闡述，結合深圳地鐵的實際運用證實了新能源電池系統在城市軌道交通方面的實用性，具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：磷酸鐵鋰電池 BMS電池管理系統 熱管理系統 城市軌道交通 系統狀態評估

隨著城軌交通發展，日常維修使用的工程車，大部分使用傳統內燃動力機車，給現場作業環境、員工職業健康帶來影響，隨著高質量發展的深入推進，以及實現綠色可持續發展的總體目標，設備轉型升級更新的需求不斷擴大，研究新能源動力電池在城軌交通工程車安全應用，具有良好的基礎和廣泛的前景[1]。經市場調研、技術可行性交流，選取對磷酸鐵鋰電池從機理、材料、制造、出廠測試和安全防護等進行全方位、全環節系統分析，磷酸鐵鋰電池熱穩定性良好， 內部充放電過程不產生氧氣不易發生爆炸，具備在城軌交通工程車上運用的可行性、安全性，實用性，具體內容如下。

1 電池化學反應原理分析

1.1 磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料分析

磷酸鐵鋰（LiFePO4），具有良好的熱穩定性、循環性能、無毒，同時有較高的理論容量和較好的放電平臺，是動力電池首選的正極材料[2]。

LiFePO4 屬于橄欖石晶體結構如《LiFePO4 橄欖石晶體結構》，其結構基元是LiO6八面體、FeO6八面體和PO4四面體，磷酸根中強的P-O共價鍵形成離域的三維立體化學鍵，在完全充電狀態下穩定了氧原子，LiFePO4具有很強的熱力學和動力學穩定性，在常壓下，加熱到200℃依然是穩定的，該共價鍵結構的存在使得LiFePO4成為一種安全的正極材料。

1.2 電池充放電原理分析

LiFePO4 電池充放電是在LiFePO4與 FePO4兩相之間進行，由于LiFePO4與 FePO4的結構相似，所以LiFePO4具有較好的循環穩定性如《磷酸鐵鋰充放電機理》。

充電時： LiFePO4-xLi+-xe- →xFePO4+（1-x）LiFePO4 （1）

放電時： FePO4+xLi++xe- →xLiFePO4+（1-x）FePO4 （2）

充電時 Li+從 LiFePO4 中脫出形成 FePO4，即 Li+從正極脫出， 經過電解液、隔膜，遷移到負極，此時負極處于富鋰狀態；放電時鋰離子嵌入 FePO4形成 LiFePO4 ，放電過程正好相反。 由于兩物相變過程鐵氧配位關系變化很小，故在 Li+脫嵌過程中雖然存在物相變化，但是不影響其電化學性能的體積效應產生，這是該材料具有良好循環性能的原因之一。

從表1可以看出二者在結構上非常相似，LiFePO4在脫鋰形成 FePO4后，體積只減少6.81%，密度增加2.59%。而且其與碳負極配對，放電過程碳負極體積變大，與正極相反，這樣可使電池充放電反應過程中內部材料的總體積變化很小，減少應力。

1.3 不產生氧氣內部不會爆炸

磷酸鐵鋰電池由于P-O 共價鍵的存在，在電化學反應中穩定了氧原子，即使在失效時：內部也不產生氧氣，反應速率較慢，同時電池安裝有防爆泄壓閥，內部產其他氣體后泄壓，不會發生爆炸。

1.4 正極材料熱穩定性良好

磷酸鐵鋰電池正極材料為磷酸鐵鋰（LiFePO4），負極材料為石墨。LiFePO4 材料的熱分解溫度在500-600℃之間，放熱量大約 240J/g，是目前常見正極材料中熱穩定性最好的。

研究表明[3]：磷酸鐵鋰在特定狀態下的熱行為，處于充電態的磷酸鐵鋰在溫度達到 360℃才出現一個微小的放熱峰，而處于放電態的磷酸鐵鋰在溫度達到 400℃才出現了一個微小的放熱峰，因此磷酸鐵鋰材料在低于 360℃時一般處于熱穩定狀態。

2 生產制造及測試分析

2.1 生產制造分析

磷酸鐵鋰電池生產制造的疊片工序中，相較于傳統動力電池以卷繞的形式生產電芯，細片電池采用疊片工藝、疊片結構有著更均勻一致的電流密度、優良的內部散熱性能、更適合大功率放電。因此細片電池有著更好的循環特性、安全特性和能量密度。

細片電池通過在關鍵部位使用耐高溫和具有優異絕緣性能的高溫陶瓷涂層，陶瓷涂層對于鋰離子電池性能有重要的影響。全方位的安全涂層，當電芯發生內部短路時，不會發生劇烈反應，不僅能顯著地提高安全性，還能提高電池的循環等綜合性能。

2.2 電池安全測試分析

目前軌道交通行業鋰電池標準還未發布，國內外動力電池安全性測試標準主要有 QCT743-2006、GB/T31485-2015、 IEC62660-2-2010、IEC62619-2022、IEC62133-2010、UL1642-2009， 經過對比分析，GB/T31485-2015、IEC62660-2-2010 是相對其他標準比較嚴苛的測試標準。

2.2.1 安全測試總體情況

選取各測試標準里邊的最嚴苛的測試要求，對磷酸鐵鋰電池進行安全測試，分別對單體及模組的過充、過放、擠壓、針刺、短路、爐熱等指標及模組的過充、過放、震動沖擊、過熱、擠壓、水泡等指進行測試，結果不起火、不爆炸，根據歐卡爾危害等級劃分有3項達到 L4級，可通過 BMS系統杜絕過充；其余等級均在L3級及以下。

2.2.2 磷酸鐵鋰電池安全性測試報告

目前先市場上主流生產廠家的磷酸鐵鋰電池已通過GB38031-2020、QC/T 743、UL1642、UL2580、UN38.3、UL1973、IEC62619等多項安全認證。

3 安全保護措施分析

3.1 電池管理系統（BMS）安全保護

電池管理系統（BMS）由模組級 BMU、簇級BCMU及顯示器組成，通過電池信息采集監控、電池安全分析、電池狀態分析、能量控制管理、通信管理等管理模式，實現電池系統的安全管理，當電池出現過壓、低壓、過流、容量低、高溫、低溫、漏電等異常時，BMS能發出告警信息并進行相應保護動作，可根據整車控制策略進行匹配調整。如表2所示。

3.2 電池熱管理系統（BTMS）安全保護

每組蓄電池組配置一套5-6kW的電池熱管理系統，BTMS從BMS獲取電池溫度，電流，電壓等數據，再采集進出水口溫度，從而調節水溫和流量，確保電池在適宜的溫度環境中運行。

3.3 自動滅火系統及火災探測器消防保護

每個電池箱配置一套全氟己酮溫電雙控自動滅火裝置和一個火災探測器，組裝成套且具有聯動控制功能的感溫+電磁自啟動滅火裝置。

3.4 電池箱隔熱防火保護

箱體內表面增加陶瓷纖維隔熱防火棉，系統結構隔熱隔火設計，起到延緩熱蔓延的作用，可以隔熱保溫。防火等級可以達到 UL94-V0 或 EN45545-HL3 級別。

3.5 電池箱（包）防爆安全

單個電池包防護等級為IP67，在每個電池包上設置有防爆泄壓閥。當電池包內部壓力達到一定狀態時，泄壓閥打開，防止蓄電池爆炸。

電池包安裝在電池箱內，電池箱的防護等級為IP65，在每個電池箱上設置有防爆泄壓閥。當電池箱內部壓力達到一定狀態時，泄壓閥打開，防止箱體內蓄電池爆炸。

4 磷酸鐵鋰電池系統實踐運用

選取深圳地鐵11號線電動軌道車牽引蓄電池配裝磷酸鐵鋰電池，同時增加了電池熱管理系統（BTMS）和消防系統。磷酸鐵鋰電池系統組成及電芯主要指標參數如下。

4.1 電池主要性能指標

（1）單體額定電壓：3.2V；

（2）電池輸出總電壓：768V；

（3）電池總容量：690Ah；

（4）充電時間：8h；

（5）續航里程：機車牽引110t時列車續航里程可達120km左右。

4.2 系統組成

本套系統主要由磷酸鐵鋰電池及BMS系統、消防系統和熱管理系統組成，具體組成如下。

（1）磷酸鐵鋰電池配置6個電池箱，每箱由3個磷酸鐵鋰電池包，合計18個磷酸鐵鋰電池包，以及配套的電池管理系統BMS。

（2）BMS電池管理系統。BMS電池管理系統由兩套獨立的、相同的BMS系統組成，采用冷備的方式進行切換。正常工作時，一套BMS系統正常上電工作，另一套BMS系統不上電。當BMS電池管理系統本身出現嚴重故障時（例如通信失效、采樣數據丟失等），整車顯示屏會提示司機切換到備份BMS，由司機只需要啟動備份BMS供電，備份BMS便會自主自檢然后上高壓，實現BMS雙系統的自動切換[4]。

（3）熱管理系統。主要由水泵、冷凝器、散熱器等組成散熱機組，雙套機組，當一套機組故障時，自動切換為另一套機組，具備功能冗余。

（4）消防系統。主要由消防控制器、全氟已酮滅火器（三個共36kg）、復合探測器、管道等組成。

5 機車應用表現

5.1 運用情況

通過裝車試驗、投用，自2024年1月至今，機車完成正線牽引作業61列，段廠調車作業116批次，機車安全運行里程達到1123.7公里，期間未發生由于磷酸鐵鋰系統故障導致作業取消的情形。

5.2 故障情況

查閱BMS顯示屏歷史報警數據。具體情況如下。

電池單體過高1級報警以及SOC過高1級告警，共出現10條報警。

無單體電壓過高以及單體電壓過低等2、3級報警。

充放過程無報警記錄。

6 系統狀態評估

磷酸鐵鋰電池系統電芯、熱管理系統和消防系統工作正常、運行穩定，電芯的健康度良好。具體情況如下。

6.1 外觀檢查

6.1.1 電池箱

檢查電池柜電池包可視部分是否有裂紋、燒痕現象，安全閥無彈起；檢查蓄電池包MSD插座、高低壓線束、探測器、通訊線安裝緊固無松動、接線狀態良好；連接水管路無滲漏水、無破損，無老化開裂。

6.1.2 BMS系統

檢查BMS主控制、兩級控制板接線牢固、狀態正常，BMS顯示屏狀態正常。

6.1.3 熱管理系統

檢查管理機組風扇正無缺葉破損，冷卻水箱液面處于上下刻線之間，未異常消耗，檢查外部電氣連接無松動；檢查水管接頭、水管無滲漏。

6.2 靜態測試

6.2.1 BMS測試

（1）機車110V上電，系統通過BMS顯示屏可以讀取到電芯的相關信息，如圖2所示。從圖中可以看出，電池系統當前靜置SOC為73.9%。單體電芯最高電壓為3.333V，最低電壓為3.330V，壓差0.003V。

（2）當上位機BMS系統閾值設定在壓差達到0.35V時觸發一級預警。

（3）當壓差最大達到0.5V時即觸發三級告警。

（4）禁充禁放，單體電芯壓差此時沒有觸發報警，即電芯一致性良好。

（5）電芯單體電芯溫度最高27℃，最低26℃，溫差值為1℃，當上位機BMS設置溫差閾值為15℃，實測無異常。

（6）三條支路的SOH均為100%，電芯健康度良好。

（7）查閱從上位機下載的數據，單簇累計充電容量數為2195.6Ah，累計放電容量為1912Ah，單簇容量為230Ah，經換算，電池滿充滿放循環次數約為10次。季度評估獲取到的電池換算得電池滿充滿放循環次數約為9次，說明該季度內電池滿充放次數僅為1次，電池的使用頻次較低。

6.2.2 熱管理系統測試

整車輔逆啟動后，等待約30s，觀察到熱管理機組風扇自轉，熱管理機組成功上電清灰。根據數據，此時的電芯最高溫度為27℃，未達到熱管理機組制冷啟動溫度，完成上電自轉后熱管理進入制冷待機模式，經測試，熱管理機組各項功能工作正常。

6.3 動態測試

（1）段內試車線運行測試，利用車載充電機給電池系統充電，SOC由85.4%充至95%，正常。

（2）車輛段內行運行里程30km，消耗電量SOC下降12.3%，正常。

（3）測試過程熱管理機組啟停工作正常，電池系統未出現故障，正常。

（4）正線作業結束后，對電池系統SOC進行滿充修正。當單體電芯最高電壓達到充電截止電壓3.6V時，充電電流由64A逐漸降至0，此時的SOC為97.1%，未能修正為100%。

6.4 安全功能測試

接入上位機，通過模擬觸電池火災報警信號，檢驗各支路消防鋼瓶的電磁閥是否可靠動作，據此，測試消防系統作用的可靠性。

7 結語

經過對磷酸鐵鋰電池電化學原理、生產工藝、安全測試以及系統安全性設計等維度全面分析，并經過在深圳地鐵11號線裝車試驗、運行測試，投入運用、驗收。新能源電池應用到城市軌道交通電力蓄電池機車上，安全性可控、實用性可行，具備在城軌交通機車上廣泛運用。

參考文獻：

[1]樊運新，龍源，江大發，等.新能源混合動力機車發展現狀及關鍵技術綜述[J].電力機車與城軌車輛，2023，46（1）：1-11.

[2]田柳文，于華，章文峰，等.鋰離子電池的明星材料磷酸鐵鋰：基本性能、優化改性及未來展望[J].材料導報，2019，33（21）：3561-3579.

[3]鄒夢杰.動力鋰離子電池充放電特性與熱行為研究[D].重慶：重慶大學，2019.

[4]王瑜.電動汽車動力電池管理系統常見故障及處理方法[J].汽車維修，2018（8）：4-5.