磷酸铁锂电池在轨道交通供电系统中的应用

刘海鹏

【摘 要】随着轨道交通供电系统智能化和高度自动化的发展趋势，对应急电源提出了更高的要求。磷酸铁锂电池在汽车领域已经广泛采用，在轨道交通领域未大范围采用。本文对磷酸铁锂电池的工作原理进行简述，与常规铅酸电池的性能进行对比、简述磷酸铁锂电池在轨道交通变电应急照明系统中的应用，最后对磷酸铁锂电池存在的问题进行总结。

【关键词】磷酸铁锂电池 轨道交通 铅酸电池

地铁供电系统中蓄电池电源为车站及区间应急照明提供后备电源。目前蓄电池电源普遍采用传统的阀控式密封铅酸蓄电池的形式，该电池以其成本低廉、技术成熟、维护方便得到广泛的应用。然而磷酸铁锂电池具有相对于铅酸电池的体积小、重量轻、能量密度高、密封好、无泄漏、无记忆效应、放电性能好、自放电率低、充电迅速、循环寿命长、工作环境稳定范围宽等特点，所以在供电系统蓄电池电源方面具有非常广泛的应用前景。

1 磷酸铁锂电池的工作原理

锂离子电池的定义是分别用两个能嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极结构的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅电池”，俗称“锂电”。磷酸铁锂电池内部结构可分为极板、隔板、电解液、外壳、安全阀、端子等，如图1所示。

图1 磷酸铁锂电池内部结构

图1中，左边是橄榄石结构的LiFePO4，作为电池的正极，由铝箔与电池正极端子连接，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极端子连接。中间是隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子可以通过而电子不能通过，电池的上下端之间是电池的电解质，为锂离子运动提供运输介质。

LiFePO4电池在充电时，外界电流从负极流向正极，导致正极中的锂离子从磷酸铁锂等过度金属氧化物的晶格中脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向负极迁移，并嵌入碳素材料负极的层状结构中。正极材料的体积因锂离子的移出而发生变化，但本身的骨架结构维持不变。

LiFePO4电池在放电时，负极中的锂离子从碳素材料层间脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向正极迁移，并嵌入正极材料的晶格中，相应地电流从正极经外界负载流向负极。磷酸铁锂材料为橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料，晶体结构稳定，充放电过程中不易发生变形或破坏。同样，锂离子反复嵌入和脱出只会引起负极材料的层间距变化，不会引起材料晶体结构的破坏。

2 磷酸铁锂电池相比铅酸电池的优势

（1）长寿命。铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高为500次。 而磷酸铁锂电池循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。由于蓄电池组长期处于浮充电状态，同质量的铅酸电池使用寿命在3年左右，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到7～8年。

（2）可大电流快速冲放电。在专用充电器下，磷酸铁锂电池可在1.5C充电40分钟内即可使电池充满，标准放电为2～5C，连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C，起动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。图2为不同放电倍率下的放电曲线。

图2 磷酸铁锂电池在不同放电倍率下的放电曲线

（3）体积小、重量轻。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。同时采用模块化设计，更换电池更方便。单面蓄电池屏铅酸电池最大安装容量为100Ah。而采用磷酸铁锂电池，单面蓄电池屏最大安装容量为150Ah。

（4）绿色环保。铅酸蓄电池中存在着大量的铅，在废弃后若处理不当，将对环境产生污染，而锂材料无任何有毒有害物质，被世界认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中均无污染，成为广为关注研究的热点。

（5）使用安全。磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的情况下也不会产生爆炸。

（6）高能量密度。能量密度是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度是指平均单位体积或质量所释放出的电能。在相同体积下，锂离子电池的能量密度是铅酸电池的3～4倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比铅酸电池的体积会更小，重量更轻。相同容量的磷酸铁锂电池与铅酸电池相比，体积减少25%～30%，重量减少50%～60%。

（7）出色的高温性能。磷酸铁锂电池热峰值可达350～500摄氏度，工作温度范围宽广，高稳情况下仍可放出100%的容量。

（8）无记忆效应。可充电电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像铅酸电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。表1示出的是铅酸电池与磷酸铁锂电池性能对照。

3 磷酸铁锂电池在应急照明屏中的应用

轨道交通用应急照明屏正常由交流屏内交流电源供电，在发生交流电源故障后由蓄电池组经逆变装置逆变后变为交流电给应急照明负荷供电。系统原理图见图3。

图3 应急照明系统原理图

磷酸铁锂电池组系统采用模块化设计，标准模块由若干个相同规格的磷酸铁锂电池单体并联而成，电池组再由若干个标准模块串并联而成。磷酸铁锂电池组系统安装在电池屏内，典型的电池屏尺寸为500mm*600mm*2200（宽*深*高）。

由于磷酸铁锂电池生产工艺比较复杂，单体电池的一致性差异会比铅酸电池大，这就导致电池组在充电后期个别电池的电压迅速上升，加之轨道交通变电所长期处于无人值守状态，不容易及时发现，从而造成磷酸铁锂电池组寿命减短或者损坏的现象，为了避免以上现象，保证磷酸铁锂电池达到运行最佳状态，在使用时需要采用电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM）。

BMS系统是电池保护和管理的核心组成部分。作为应急照明系统的后备电能，BMS系统在正常交流电源与电池组之间起到桥梁作用。BMS系统的安全管理模式对电池的安全性能至关重要，主要包括数据采集单元、计算以及控制单元等。BMS系统具有电池的充放电保护、故障预警及处理、绝缘电阻测量、高电压预警管理、电池剩余容量估算、单体电池测量、电池温度测量、系统时间记录等功能。，不仅保证了电池安全可靠，而且充分发挥了电池的性能并延长了使用寿命。

4 磷酸铁锂电池存在的问题

（1） 磷酸铁锂电池的低温充电性能稍差，充电温度需高于0℃。否则电池的不可逆容量会随着温度的降低而升高。

（2）磷酸铁锂价格虽然呈下降趋势，但是仍然相对偏高。其价格是进口铅酸蓄电池对应电池的3倍，是国产铅酸蓄电池8-9倍。

（3）磷酸铁锂电池在轨道交通供电系统中仅在个别工程中使用，还未经过长期的、大量的实践验证，可靠性有待检验。

5 结语

磷酸铁锂电池虽然一次性投入成本较高，但是通过与常规电池的性能比较分析，我们发现磷酸铁锂电池的性能远高于铅酸电池，且使用磷酸铁锂电池环保、无污染。目前磷酸铁锂电池已经应用于上海轨道交通11号线等线路的UPS系统、上海轨道交通车辆基地光伏发电系统等，并且即将应用于上海轨道交通的新线建设中。可以预见，随着磷酸铁锂电池技术的不断提升及价格的下降，磷酸铁锂电池在轨道交通领域尤其是应急照明系统将获得广泛的应用。