锂离子电池在轨道交通装备上的适应性研究*

吴 健，王占国，张言茹

（北京交通大学 国家能源主动配电网技术研发中心，北京 100044）

1 轨道交通装备功能需求及发展趋势

轨道交通装备能源来自于电网或内燃机。随着能源技术的不断进步，越来越多的新型能源不断涌现。从能量来源角度看，未来的轨道交通装备将由多能源混合供能系统提供能量［1］，如图1所示。图1中，蓝色虚线左侧是能量源，右侧为负载。左侧能量源包括：电网、柴油发电机组、燃料电池、超级电容、动力蓄电池等［2］，这些能量源产生的电能直接或通过电力变化装置接入车内高压直流母线，为车内牵引及辅助负载供电。根据不同应用场景以及能源获取的便利性，可以为单一能量源，也可以为2个或多个能量源的混合，如柴油发电机组与动力电池组成的混合动力系统（油—电混合动力）［3］、柴油发电机组与电网、动力电池组成的混合动力系统（油—电—电混合动力）、氢燃料电池与动力电池组成的混合动力系统（氢燃料电池混合动力）等。在多能源混合情况下，以提高能源利用率、降低全生命周期采购及运营成本为目标，确定能源配比方案以及能源调度管理策略。

图1 多能源混合供能示意图

近年来，随着锂离子电池技术的不断进步，以锂离子电池为能量源的新能源汽车得到快速发展。而锂离子电池在轨道交通装备上的应用相对发展较慢［4］，主要原因是在功率、能量、环境适应性、寿命、安全性等方面，轨道交通装备对锂离子电池的要求更高。近年来，随着对运营可靠性和节能环保要求的不断提高，以及随着锂离子电池技术的不断提升，锂离子电池在轨道交通装备上的应用得到了快速发展，世界各国纷纷推出了纯电池驱动、油—电混合动力驱动、氢燃料电池驱动等不同形式的新能源轨道交通机车车辆。2018年，在“德国柏林国际轨道交通技术展（InnoTrans）”上，新能源及新材料得到了大量应用及展示，在展会现场，众多全球领先的机车车辆供应商，如中国中车（CRRC）、阿尔斯通（Alstom）、庞巴迪（Bombardier）、西门子（Siemens）等公司展出了许多首次在世界舞台亮相的新型技术及产品，其中，锂离子电池技术应用成为新技术亮点。随着技术的不断发展，以锂离子电池为代表的新型车载储能系统技术得到越来越多的应用。

2 锂离子电池在轨道交通装备上的应用场景分析

传统干线机车及动车组驱动能源来自于单相25 kV、50 Hz交流电网供电的交流传动系统原理（如图2所示）或柴油发电机组供电的交流传动系统原理（如图3所示）。

图2 由单相25 k V交流电网供电的交流传动系统原理示意图

图3 由柴油发电机组供电的交流传动系统原理示意图

在城市轨道交通领域，传统地铁、轻轨及有轨电车的驱动能源来自于DC 1 500 V或DC 750 V直流电网，如图4所示。

图4 城市轨道交通车辆交流传动系统原理示意图

与电动汽车类似，利用锂离子电池可实现纯电池动力、油—电混合动力、油—电—电混合动力，以及燃料电池混合动力等多种新能源动力驱动方式。

2.1 纯电池动力

锂离子电池可用做轨道交通装备动力驱动电源。与电动汽车的运营需求相比，用于干线铁路的机车车辆的运营特点是高速、重载、长续航，现有锂离子电池很难完全满足这样的需求。但对于城市轨道交通，对上诉运营特点的要求相对不高，一些应用场景非常适合将锂离子电池作为主要动力源。

2.1.1城市轨道交通应用

（1）城市有轨电车

城市有轨电车与电动大巴类似，非常适合用锂离子电池作为动力源［5］，其特点一是取消了影响城市景观的架空供电线［6］，二是综合建设及运营成本将大幅减少。纯电池动力有轨电车原理如图5所示。

图5 纯电池动力有轨电车原理示意图

按照现有锂离子电池系统能量密度计算，一列4~5编组的有轨电车可安装锂离子电池大约为150~250 kW⋅h，续航里程为25~50 km。这个里程数基本满足城市有轨电车里程要求，因此，可仅在线路首末端设充电站，充电时间为发车间隔时间，一般不超过5 min，充电功率在1 MW以下。这个方案完全可以取消沿线铺设的10 kV供电线，从而大幅降低建设及运营成本［7］。

（2）地铁及轻轨车辆

对于地铁及轻轨车辆，通过增加车载锂离子电池系统，在电网发生故障时，由锂离子电池提供能量源，将车辆牵引至站台，疏散乘客，从而实现在供电网失效时的应急自牵引，避免重大安全风险。该功能还可用于地铁及轻轨车辆的库内自牵引，从而取消库内牵引供电线路，降低建设成本及库内高压作业风险。

2.1.2干线轨道交通应用

锂离子电池虽然不适合作为高速、重载、长续航的干线铁路机车车辆的主牵引动力源，但在一些特殊应用场合，应用锂离子电池作为辅助动力源，可大幅增强干线铁路机车车辆的可靠性及适应性。

（1）用于干线机车车辆的跨无电区自走行

通过增加锂离子电池动力驱动系统，可实现铁路机车车辆在无电网区自走行，从而实现有电区段和无电区段的不间断运行。由于受到锂离子电池功率和能量的限制，该技术适用于对速度、载重及续航要求相对较低的市郊及城际铁路机车车辆。

（2）用于供电网故障下的应急自牵引及库内动车

当供电网故障时，动车组断电停车，传统动车组辅助蓄电池容量较小，无法实现车厢内环境控制，造成车厢内环境快速恶化，严重影响安全运行及乘客体验。通过增加动力蓄电池，可实现动车组在无外部供电情况下的应急自牵引，将动车组牵引至下一供电区段或下一站台疏散乘客，同时也为车厢内环境控制系统供电，提高乘客舒适度。根据目前国内供电网及车站建设情况，一般要求自牵引走行距离不低于20 km，其中5‰坡道5 km、平直道15 km，走行速度为30 km/h。

该功能还可用于动车组及电力机车库内动车，实现库内自牵引功能，从而简化电路拓扑、节约成本、提高应用灵活性。

（3）用于调车机车

传统调车机车的能量源为柴油发电机组，调车机车的运营特点是待机时间长、频繁启停，从而导致燃油效率低下，造成排放及噪音污染。由于调车机车的运营速度、载重要求相对较低，非常适合用锂离子电池做动力驱动。在无网作业环境下，用锂离子电池作为牵引动力源，有电网时，电网作为牵引动力源，同时为锂离子电池充电。

2.2 油—电混合动力

与传统以柴油发电机组为动力的内燃机车相比，由柴油发电机组与锂离子电池实现混合动力驱动是内燃机车的重要发展方向［8］。通过油—电混合供电，让柴油机工作在最佳油耗点，而负载功率波动调节由锂离子电池系统完成，从而实现最佳节油效果。这种供电方式特别适合于调车机车，节油率在30%以上。另外，轨道交通中有大量的轨道工程机械车辆，如隧道内的施工、检查、维护等作业车辆，出于排放及环保考虑，这些车辆也非常适合采用油—电混合动力驱动方式，在节能环保的同时，在隧道内可完全关闭柴油机，实现隧道内零排放作业，大大提高作业环境水平。油—电混合动力系统原理如图6所示。

图6 油—电混合动力原理示意图

2.3 油—电—电混合动力

近年来，出现了适用范围更广的油—电—电多源混合动力系统，可实现有网和无网状态下的更长距离的干线牵引［9］，油—电—电混合动力原理如图7所示。

图7 油—电—电多源混合动力原理示意图

2.4 燃料电池混合动力

作为新型能源方式，氢燃料电池得到越来越多的关注和应用，由于氢燃料电池的功率调节速度较慢，因此氢燃料电池不能单独作为供电电源驱动牵引及辅助负载，一般与锂离子电池或超级电容一起，组成混合动力系统，为车辆提供能源［10］，燃料电池混合动力原理如图8所示。

图8 燃料电池混合动力原理示意图

3 锂离子电池的特性及适应性分析

3.1 轨道交通装备对锂离子电池的应用需求

轨道交通装备是应用于轨道交通特种行业的工业应用产品，而电动汽车是民用产品，这样的差别造成轨道交通装备与电动汽车对动力锂离子电池需求不同，主要体现在以下几个方面。

（1）功率需求

与电动汽车相比，轨道交通装备的速度及功率等级较高。电动汽车功率较小，充放电倍率一般不超过1 C［11］，而在轨道交通装备上，在自重及空间限制下，如果不能增加装机容量，将造成锂离子电池系统充放电倍率比电动汽车高出5~10倍，同时，对散热需求大幅增加。

（2）能量需求

与电动汽车相比，轨道交通装备续航里程要求相对较大，因此电池装机容量较多，较大的装机容量将带来安全防护、电池成组、散热等诸多问题，技术难度较大。

（3）寿命需求

按照统计数据，对于家用电动汽车，每天的运行里程不超过50 km，也就是说每天充放电次数不到1次，按照容量不低于新电池的80%的电池退役标准，电动汽车用锂离子电池可以基本满足8 a或者不超过12万km的质保要求［12］。轨道交通机车车辆属于工业用途的载客或载货营运车辆，每天营运时间超过10 h，充放电次数超过5次，甚至高达10次以上。普通电动汽车用锂离子电池循环寿命较短，在这样的高强度应用条件下，容量将很快衰退至80%，造成更高的电池更换成本。

（4）环境需求

电动汽车的属地特性较强，很少有车辆高频次地在极寒的北方与极热的南方之间运行。而轨道交通装备的特点是承担全铁路网大范围的运输作业，高、低温的频繁交替给动力电池的安全应用提出了极高的要求［13］。

（5）安全性需求

与电动汽车相比，轨道交通车辆载荷大、人员密集度高，一旦出现安全事故，救援及事故处理难度极大，会造成较大的人员及财产损失。因此，轨道交通车辆对相关车载设备的要求是在极端情况下，不能爆炸及起火，相关要求明显高于电动汽车。

3.2 现有锂离子电池的特性对比分析

磷酸铁锂电池和三元锂电池的正极材料分别是磷酸铁锂（LFP）和镍钴锰（NCM），负极材料是石墨，钛酸锂电池的正极材料通常是镍钴锰，负极材料是钛酸锂（LTO），这导致这3类电池在特性参数上有很大不同，参数对比见表1。

表1 不同体系锂离子电池参数对比

从3种锂离子电池的特性参数来看，主要差别在于：

（1）能量密度。由于三元锂电池采用高容量、高电压的正极三元材料和电压平台较低的石墨负极，使得三元锂电池的能量密度在3种电池中的能量密度最高。根据镍含量的不同，三元电池的能量密度也有差异，最高可大于250 Wh/kg。磷酸铁锂正极材料的电压平台较低，且比容量与三元材料相比也较低，使得磷酸铁锂的能量密度小于三元电池。而钛酸锂电池负极采用的是钛酸锂材料，负极电压平台相较石墨而言明显较高，使得钛酸锂电池能量密度下降明显，因此，钛酸锂电池能量密度最低。由于电动汽车设备安装空间较小，对质量要求较高，因此锂离子电池的高能量密度是电动汽车追求的重要指标。轨道交通装备对锂离子电池系统的安装空间、质量不如电动汽车要求高，因此，与其他参数相比，能量密度参数指标并非重要追求指标。

（2）功率密度。在3种电池中，三元和磷酸铁锂电池受负极倍率特性的影响，倍率特性较差，而钛酸锂电池为三维锂离子传输结构，倍率特性大幅度提升，因此，钛酸锂电池的倍率特性在3种电池中位居首位，在大功率牵引场合应用占据优势。

（3）循环寿命。钛酸锂材料为零应变材料，在充放电循环过程中，基本上不发生体积膨胀和收缩，使得钛酸锂电池具有超长的循环寿命，最长可达20 000次循环［14］。由于三元材料在循环过程中容易发生结构转变，导致电池容量跳水，导致三元锂电池循环寿命较低，一般不超过3 000次［15］，而磷酸铁锂材料相较三元材料而言，结构稳定性较好，循环寿命较三元长，可达5 000次。通过对比分析，钛酸锂电池更适合于充放电频繁的轨道交通装备应用。

（4）环境适用性。钛酸锂电池由于其自身结构特性，使得其在宽温度范围内的充放电特性均优于其他2种电池［16］，受负极电位低的影响，低温下石墨负极容易发生析锂，会有由于析锂而产生的内短路的安全风险［13］。因此，钛酸锂电池更适合于轨道交通装备应用。

（5）安全性。内短路风险最低的是钛酸锂电池［17］，这是因为三元锂电池与磷酸铁锂电池的负极都为石墨，会产生由于析锂而导致的内短路风险，而钛酸锂电池的负极为钛酸锂材料，基本不会发生析锂，内短路风险极低。此外，电池系统中热失控存在热扩散和热蔓延，钛酸锂电池的本征安全性使得其在发生热失控时对周围电池的影响程度较低，因为从能量的角度出发，三元>磷酸铁锂>钛酸锂，所以电池发生单体热失控后系统产生热蔓延的风险也如上排序。

（6）经济性。目前按照单体和系统的首次购入成本而言，从低到高的顺序为磷酸铁锂<三元<钛酸锂，但通过前面对循环寿命的分析可知，钛酸锂电池的寿命是磷酸铁锂和三元的4~7倍，因此考虑全生命周期应用，按照度电成本计算，钛酸锂电池在3种电池中成本最低。在机车车辆的30 a生命周期内，综合考虑购入成本和使用成本，钛酸锂电池最具经济性。

通过从能量、功率、寿命、安全、经济和环境6方面对3种电池进行对比分析，钛酸锂电池在除能量密度外的其他方面明显优于其他类型锂离子电池，因此更适用于轨道交通装备应用。

4 结论

通过以上分析可以看出，以锂离子电池为代表的车载储能系统技术将在轨道交通装备上得到越来越多的应用。当前阶段，钛酸锂电池以其优良的功率特性、循环寿命特性、环境适用性、安全性、经济性等特性，非常适用于轨道交通装备应用。随着锂离子电池技术及产业的不断发展，新的材料体系电池不断涌现，如固态电池等，新能源轨道交通技术将迎来更好的发展前景。