锂电池在地铁改造工程中的应用分析

2021-07-27张帆

铁路通信信号工程技术 2021年7期

张帆

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

通信系统设备的电源供给十分重要，不但要求外供交流电可靠，而且要求通信电源供给系统自身也必须稳定可靠。当外部供电出现问题无法正常工作时，通信电源能够自动启用后备电源保证通信系统的正常工作。

目前主流铅酸蓄电池设备体积及重量较大，城市轨道交通既有线机房环境普遍差，机房面积小，环境温度高，通风空调设备老化，蓄电池工作寿命受到影响，导致设备故障率增高，存在热失控风险。锂电池具有体积小巧、重量轻的明显优势，耐高温能力较为突出，充放电循环性能优异，充电快，更为环保。本文将分析不同种类锂电池的特性，并对比主流铅酸蓄电池，结合地铁工程特性提出锂电池在地铁改造工程中的应用建议。

1 锂电池相关技术研究

1.1 锂电池概述

锂电池是指电化学体系中含有锂的电池，可分为锂金属电池和锂离子电池两类。

1）锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。为一次性使用，不可充电。

2）锂离子电池通常有液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两种。

液态锂离子电池不含有金属态的锂，一般使用锂合金金属氧化物为正极、石墨为负极、使用非水电解质的电池。常用于动力、储能等大型设备，也是本次研究的对象。

聚合物锂离子电池是一种用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的二次锂离子电池，具有较好的安全性，多用于手机、平板电脑等小型化设备，不适合轨道交通场景下使用。

1.2 液态锂离子电池技术对比

主流液态锂离子电池使用的正极材料主要有以下5种：分别是钴酸锂、三元锂（镍钴锰）、锰酸锂、磷酸铁锂以及钛酸锂。不同的材料及技术导致其性能、能量密度、安全环保性以及成本有很大差异，如表1所示。

表1 不同种类锂离子电池对比Tab.1 Comparison of different types of lithium-ion batteries

经过分析比较可以得知，钴酸锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池并不适合应用在通信领域内，磷酸铁锂电池目前技术相对成熟，在能量密度、适用温度、安全性、环保性等方面的性能较好，使用寿命也能达到轨道交通的使用需求。中华人民共和国工业和信息化部已于2011年12月发布了通信用磷酸铁锂电池组的相关行业标准，目前电信、通信行业也都在进行磷酸铁锂电池的研究，并且已经有大规模的应用。而钛酸锂电池虽然目前发展较快，且具备了高安全性、高循环次数、使用范围宽的优点，是目前锂电池技术的一种发展方向，但目前其支持厂家较少，技术及工艺发展不够成熟，能量密度较低，未形成统一的技术标准，且在储能领域应用很少。因此在目前主流的锂电池技术中，磷酸铁锂电池应用于地铁通信机房的条件更加成熟，因此本次选定主要研究磷酸铁锂电池在城市轨道交通既有线电源系统改造中应用的可行性。

1.3 磷酸铁锂电池应用现状

2009年电信运营商已经开始尝试使用磷酸铁锂电池。从2010年起电信行业开始正式应用磷酸铁锂电池，逐渐形成规模并在全国范围内大批量使用。

城市轨道交通领域内，上海地铁已经有多条线路采用了锂电池作为通信系统的后备电源。

目前上海地铁最早应用的磷酸铁锂电池组已经平稳运营超过5年。据运营单位人员反馈，磷酸铁锂电池组运行状态稳定，适应地铁内的机房高温环境，电池组仅需半年左右进行一次深度充放电核容。电池单体出现故障，可及时报警并替换单体电池，维护较为简单。经过5年左右的使用，容量衰减较低，仍可满足2 h后备时间的要求，使用效果较好。

2 铅酸类蓄电池与磷酸铁锂电池的对比分析

在目前城市轨道交通行业内，后备电源蓄电池多采用阀控密封铅酸蓄电池及胶体铅酸蓄电池两种技术。胶体铅酸蓄电池相比阀控密封铅酸蓄电池具有性能更稳定，可靠性更高，使用寿命更长，对环境温度的适应能力强，循环放电、深度放电及大电流放电能力更强等优点，但其本质仍属于铅酸蓄电池的一种，仍存在铅酸电池固有的一些问题。

考虑到城市轨道交通的具体需求，从电池性能、放电效率、环境影响3个方面对阀控式铅酸电池、胶体铅酸电池与磷酸铁锂电池进行对比。

2.1 电池性能对比

如表2所示，磷酸铁锂电池主要有以下特点。

表2 磷酸铁锂电池与铅酸电池性能对比Tab.2 Performance comparison of lithium iron phosphate battery and lead-acid battery

1）能量密度高、重量轻、体积小

磷酸铁锂电池重量能量比是铅酸电池的2～3倍，体积能量比是铅酸电池的3～5倍。综合考虑，在释放同等能量的情况下，磷酸铁锂电池的体积及重量均不足铅酸电池的1/2。

2）电池循环次数高，使用寿命长

由于胶体电解质的独有特性，具有很好的物理及化学保护作用，因此胶体铅酸电池使用寿命大约是阀控式铅酸电池寿命的2倍。

而磷酸铁锂电池的导电涂层是由分散好的纳米导电石墨包覆颗粒等所组成，可提供极佳的静态导电性能，以及遮盖防护性能，使得磷酸铁锂电池的寿命是阀控式铅酸电池的4倍以上、胶体铅酸电池的2倍以上。

3）高温特性好、低温性能较差

阀控式和胶体铅酸电池在温度大于25℃后，随温度升高，其寿命就会不断降低。而磷酸铁锂电池工作温度范围可在-10～+75℃，同时可以承受电池放电结束时160℃高温。

但磷酸铁锂电池低温性能较差，在室温低于-10℃后将严重影响其充放电能力，因此环境温度可能低于0℃的情况下，并不推荐使用磷酸铁锂电池。考虑到城市轨道交通工程均建设独立机房并建设空调系统，因此几乎不存在环境温度低于0℃的情况。

因此，在地铁既有线通信机房空间小、温度高等实际情况下，磷酸铁锂电池优势十分明显。

2.2 放电效率对比

磷酸铁锂电池与铅酸电池放电效率对比如表3所示。由于铅酸蓄电池的特性，其2 h放电率仅能放出额定容量65%～70%的电量，因此在实际工程中，为满足地铁规范2 h时间的要求，不得不配置比实际所需容量更高的铅酸蓄电池。

表3 磷酸铁锂电池与铅酸电池放电效率对比Tab.3 Comparison of discharge efficiency between lithium iron phosphate battery and lead-acid battery

磷酸铁锂电池的2 h放电率可达95%,相较于铅酸电池高30%，其在1C～3C的倍率放电情况下，放电容量没有明显的下降，体现高放电率和高功率放电的能力。因此针对设计规范的要求可知同等条件下磷酸铁锂电池配置的额定容量可以更小，电池成本和机房空间均可以得到相应节省。

因此，综合地铁设计规范对后备电源要求，磷酸铁锂电池放电性能优势明显。

2.3 环境影响对比

2.3.1 环境污染

几种电池环境影响对比如表4所示，由于阀控式铅酸电池主要的材料占比最大的是铅，在制造和回收过程中，都可能会对环境造成污染。并且在极板化成工艺中，化成后的极板需经洗涤，洗涤产生的废水排放，又会造成水质污染。

表4 环境影响对比Tab.4 Environmental impact comparison

胶体铅酸电池相比于阀控式铅酸电池利于环保。在使用过程中不会产生酸雾气体，不存在电解质外溢的风险。但与阀控式铅酸电池相同，因其含有铅元素，在制造和回收过程中，都可能会对环境造成污染。

磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，无毒，无论在生产及使用中均无污染，为绿色环保电池。并且磷酸铁锂电池材料回收操作较铅酸电池更为简单，回收比例及产物纯度也高。

2.3.2 节能

相比传统的铅酸蓄电池，磷酸铁锂电池在节能方面的优势，主要体现在以下两点。

由于铅酸蓄电池的化学特性，其2 h仅能放出额定容量65%～70%的电量，而磷酸铁锂电池的2 h放电率可达95%，相较于铅酸电池高出30%。因此在相同的用电环境中，满足2 h后备时间，使用磷酸铁锂电池组仅需配置铅酸蓄电池组约70%的容量，节省完全充电所需的用电量，磷酸铁锂电池体积也仅有铅酸蓄电池的一半左右，同时节省了机房空间。

由于制作电池的原材料中含有杂质，正极材料的溶解性和材料受热后的不稳定性有关，因此存在自放电现象，需要对电池进行补电操作。铅酸蓄电池的放电率会由于外部环境湿度的变化以及使用时长产生较为明显的变化，新出厂的铅酸蓄电池每月的自放电率在3%之内，在使用环境不理想的情况下，经过5年左右的使用每月的自放电率会提升至10%～15%，北京地铁1号线民用电源系统因机房老旧、环境温度高等原因，高频开关设备电池每月自放电率甚至达到20%左右。而磷酸铁锂电池每月的自放电率小于5%，且经过上海地铁验证，经过5年使用，自放电率仍可保持基本无变化，降低了补充充电所需的用电量。