采用磷酸铁锂电池储能的一体化集中供电电源系统研究

李大伟，孙晋敏，杨夏杰

（宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江 宁波 315100）

在《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》中提出要建立供配电系统、通信系统等系统的智能运维体系，提升城轨装备维护智能化程度、提升运维效率，减少维护人工的作业强度，形成城轨装备智能化。而目前城市轨道交通通信、信号专业大多是各使用一套独立以铅酸电池为后备储能的电源系统，采用UPS 柜、配电柜、电池柜（架）分散方式安装，蓄电池且需求数量多，不环保，占地面积大，对机房环境温湿度要求高，存在维护工作量大，后期故障率、维修成本相对较高等问题。

为此通过对磷酸铁锂电池储能一体化集中供电电源系统的设计得明确并对其可行性进行分析，以推动传统电源系统改造，完成集高压箱（BMS 管理）、电池模组、CAN 通讯等一体的磷酸铁锂电系统，以及集机柜、配电、UPS、电池、精密空调、监控、消防等于一体的一体化系统在通信、信号电源室应用，实现通信、信号电源系统集中供电与智能运维。

1 磷酸铁锂电池储能的一体化集中供电电源系统优势

1.1 磷酸铁锂电池储能的优势

（1）智能BMS 管理。对电池模组的电压、电流、温度等信息进行实时监测，对锂电池的运行状态进行预估，对电池系统起控制和保护作用。

（2）安全性高。采用高安全性和长循环寿命的磷酸铁锂正极材料电芯，即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性好；高温时性能好，磷酸铁锂电池在外部温度55℃时仍能正常工作。

（3）更节能环保。锂电池自放电率低，更节能。锂电池不含有铅、福、汞等有毒物质，没有对人体有害的重金属元素。

（4）耐用性好。相对于传统铅酸胶体蓄电池，磷酸铁锂电池采用1C 充放电循环次数达到2000 次，使用寿命具有明显优势；同时锂电池耐用性较强，消耗慢，并且无记忆效应。

（5）性价比高。磷酸铁锂使用寿命与UPS 使用寿命基本同步（10 ～12 年），传统铅酸蓄电池使用寿命约为6 ～8 年，考虑到使用过程中需要对铅酸蓄电池进行改造更换，所以寿命更长具有更高的年化性价比。

（6）安装维护方便。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，标准机架式设计，安装方便快捷，安装密度高，空间利用率好不额外占用机房面积，维护简单。

1.2 一体化设计系统优势

（1）占地面积小，改造工作量较小。可将磷酸铁锂电系统安装于现有设备室，更方便实施安装、布线，减少施工过程引起的污染、噪声，减少对既有设备影响。同时，对于新建线路，更小的占地面积也能有效降低土建成本。

（2）安全稳定性高。采用磷酸铁锂锂电池模组及BMS 智能管理，本身锂电池有更好的耐高温、耐用性，BMS 管理系统又能对电池实时监测，对锂电池的运行状态进行预估，对电池系统起控制和保护作用。

（3）环境适应性强。改造后在改善电源系统稳定性的同时，双柜系统将锂电系统进行密封冷通道封闭内循环，对外部环境适应性更强；减少机房内粉尘侵入的同时获得更好的精确制冷效果，减少设备整体故障率；另外配有冷凝水蒸发装置，避免空调制冷排水问题的困扰。对于新建线路，采用一体化冷通道封闭设计能有效降低施工期间外部粉尘侵入，有效降低因粉尘、潮湿引起的故障隐患。

2 磷酸铁锂电池储能的一体化集中供电电源系统设计

2.1 整体系统结构

（1）系统构成

主体可分为磷酸铁锂电池储能系统与一体化动力系统，通过全封闭式双机柜并柜方式部署UPS 模块、锂电模组、配电模块、消防模块、制冷模块、动环监控等，实现柜内双通道冷循环保证设备长期安全稳定运行，也使得本系统对安装环境无过度要求；通过BMS 智能管理可实现对电池模组的电压、电流、温度等信息进行实时监测，对锂电池的运行状态进行预估，对电池系统起控制和保护作用。显著提升运营维护的技术水平，大幅减少日常巡视工作量，降低设备故障率以及维护成本，磷酸铁锂电池储能的一体化集中供电电源系统框图如图1。

图1 系统架构图

（2）系统设计

①一体化柜体部分。采用双机柜并柜系统，机柜部署冷热通道：a 密闭冷通道位于IDU 前端，通道宽约175（185）mm；b 密闭热通道位于IDU 后端，通道宽约175（165）mm。②UPS 部分。采用模块化N+1 冗余式部署的方式，选用1 套30KVA 模块化UPS。停电时转为电池逆变供电；当设备出现故障时，自动切换至旁路交流电源。③配电选型设计。采用机架式精密空调一体化配电柜模式，部署ATS 双路切换开关，实时监测各支路电压、电流数据。④制冷部分。采用机架式空调部署的方式，选用1 台机架式一体化精密空调，自蒸发设计，实现密闭冷通道。⑤监控部分。对系统内UPS、配电、空调、温湿度、消防、视频、门禁、漏水等设备的实时数据、设备状态、实时告警进行管理。IDU 动力环境监控系统可提供系统运行实时数据、视图、报表的查看。⑥消防部分。配置1 套机架式灭火器，灭火剂采用七氟丙烷（HFC-227ea/FM200），它无色，无味，低毒，不导电、不污染被保护对象，不会对精密设施造成损坏。⑦磷酸锂电储能系统。配置1 台高压箱及512V，50Ah 锂电池模组，高压箱具有对各电池模块智能BMS 管理功能，有多种通信方式，具备与UPS 和监控装置的通讯功能；能对电池模组的电压、电流、温度等信息进行实时监测，对锂电池的运行状态进行预估，对电池系统起控制和保护作用。

2.2 关键技术

（1）BMS 智能管理

①电池模拟量高精度监测功能。对电池组实时电压检测，电池组充放电电流检测，单体电池端电压检测，电池组多点温度检测及漏电监测。

②电池系统运行报警、显示及上报功能。对电池系统过压告警，电池系统欠压告警，电池系统过流告警，电池系统高温告警，电池系统低温告警，电池系统漏电告警，电池管理系统通信异常告警，电池管理系统内部异常告警。

③电池系统全寿命周期的保护功能。电池管理系统在电池系统出现电压、电流、温度等模拟量出现超过安全保护门限的情况时，将进行故障隔离，将问题电池组串退出运行，同时上报保护信息，并在本地进行显示。

④均衡功能。本电池管理系统具备被动式均衡功能，通过高效的均衡策略能够很好得维护电池组的一致性。

（2）磷酸铁锂电池储能

①材料安全性。磷酸铁锂电池，是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池不含有任何重金属元素，是一种安全无毒且环境友好的储能介质。

②热安全性。磷酸铁锂电池的正极材料呈有序的橄榄石结构，具备优秀的稳定性。因此，磷酸铁锂电池的热分解温度可达到480℃。同时通过对磷酸铁锂材料的烧结实验可以判定，在热分解时，磷酸铁锂材料不会像三元材料一样释放氧气，而是生成铁的氧化物，铁的磷酸化合物及锂的氧化物等固体物质。

③破坏性测试。磷酸铁锂电池在挤压、短路、过充几种破坏性测试，测试结果皆不起火、不爆炸，在燃烧测试中也未爆炸。

3 磷酸铁锂电池储能的一体化集中供电电源系统可行性分析

3.1 与传统电源系统对比分析

在探索基于磷酸铁锂储能介质的智能化、一体化电源系统在轨道交通通信信号系统的应用及创新，本系统相较于传统电源系统在以下几方面进行创新，一体化集中供电电源系统于传统电源系统对比如表1。

表1 一体化集中供电电源对比传统电源系统

3.2 磷酸铁锂与铅酸对比分析

磷酸铁锂电池相对铅酸蓄电池其工作电压高、体积小、质量轻、能量密度大、耐高温环境适应性强、无记忆效应、自放电小、循环寿命长有更高的性价比，无污染便于回收，适用于智能运维等众多优点，能广泛使用在各种精密设备上，且有很大的发展潜力。

4 结语

本文对采用磷酸铁锂电池储能一体化集中供电电源系统的构成以及关键技术进行了简要分析，讲述其磷酸铁锂电系统与IDU 一体化系统在通信信号电源系统中的应用价值。对一体化集中供电电源系统与传统电源系统以及磷酸铁锂电池与铅酸电池的性能参数、设备及维护成本、安全系数等进行综合比较分析，发现磷酸铁锂电池储能一体化集中供电电源系统集成度高，维护智能化程度高，性能耐久性能良好，环境适应性强，循环寿命长有更高的性价比，可以很好提升运维效率，减少维护人工的作业强度，形成城轨装备智能化。相信随着技术的成熟和成本日益的优化，一体化集中供电电源系统代替传统电源系统，磷酸铁锂电池取代铅酸电池会在通信信号电源系统中应用。