磷酸鐵鋰電池在軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉海鵬

【摘 要】隨著軌道交通供電系統(tǒng)智能化和高度自動化的發(fā)展趨勢，對應(yīng)急電源提出了更高的要求。磷酸鐵鋰電池在汽車領(lǐng)域已經(jīng)廣泛采用，在軌道交通領(lǐng)域未大范圍采用。本文對磷酸鐵鋰電池的工作原理進(jìn)行簡述，與常規(guī)鉛酸電池的性能進(jìn)行對比、簡述磷酸鐵鋰電池在軌道交通變電應(yīng)急照明系統(tǒng)中的應(yīng)用，最后對磷酸鐵鋰電池存在的問題進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】磷酸鐵鋰電池 軌道交通 鉛酸電池

地鐵供電系統(tǒng)中蓄電池電源為車站及區(qū)間應(yīng)急照明提供后備電源。目前蓄電池電源普遍采用傳統(tǒng)的閥控式密封鉛酸蓄電池的形式，該電池以其成本低廉、技術(shù)成熟、維護(hù)方便得到廣泛的應(yīng)用。然而磷酸鐵鋰電池具有相對于鉛酸電池的體積小、重量輕、能量密度高、密封好、無泄漏、無記憶效應(yīng)、放電性能好、自放電率低、充電迅速、循環(huán)壽命長、工作環(huán)境穩(wěn)定范圍寬等特點(diǎn)，所以在供電系統(tǒng)蓄電池電源方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

1 磷酸鐵鋰電池的工作原理

鋰離子電池的定義是分別用兩個能嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極結(jié)構(gòu)的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅電池”，俗稱“鋰電”。磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為極板、隔板、電解液、外殼、安全閥、端子等，如圖1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1中，左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4，作為電池的正極，由鋁箔與電池正極端子連接，右邊是由碳（石墨）組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極端子連接。中間是隔膜，它把正極與負(fù)極隔開，但鋰離子可以通過而電子不能通過，電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，為鋰離子運(yùn)動提供運(yùn)輸介質(zhì)。

LiFePO4電池在充電時，外界電流從負(fù)極流向正極，導(dǎo)致正極中的鋰離子從磷酸鐵鋰等過度金屬氧化物的晶格中脫出，經(jīng)過液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過隔膜向負(fù)極遷移，并嵌入碳素材料負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)中。正極材料的體積因鋰離子的移出而發(fā)生變化，但本身的骨架結(jié)構(gòu)維持不變。

LiFePO4電池在放電時，負(fù)極中的鋰離子從碳素材料層間脫出，經(jīng)過液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過隔膜向正極遷移，并嵌入正極材料的晶格中，相應(yīng)地電流從正極經(jīng)外界負(fù)載流向負(fù)極。磷酸鐵鋰材料為橄欖石型磷酸鹽類嵌鋰材料，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充放電過程中不易發(fā)生變形或破壞。同樣，鋰離子反復(fù)嵌入和脫出只會引起負(fù)極材料的層間距變化，不會引起材料晶體結(jié)構(gòu)的破壞。

2 磷酸鐵鋰電池相比鉛酸電池的優(yōu)勢

（1）長壽命。鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高為500次。 而磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時率）使用，可達(dá)到2000次。由于蓄電池組長期處于浮充電狀態(tài)，同質(zhì)量的鉛酸電池使用壽命在3年左右，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達(dá)到7～8年。

（2）可大電流快速沖放電。在專用充電器下，磷酸鐵鋰電池可在1.5C充電40分鐘內(nèi)即可使電池充滿，標(biāo)準(zhǔn)放電為2～5C，連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電（10S）可達(dá)20C，起動電流可達(dá)2C，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。圖2為不同放電倍率下的放電曲線。

圖2 磷酸鐵鋰電池在不同放電倍率下的放電曲線

（3）體積小、重量輕。同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。同時采用模塊化設(shè)計，更換電池更方便。單面蓄電池屏鉛酸電池最大安裝容量為100Ah。而采用磷酸鐵鋰電池，單面蓄電池屏最大安裝容量為150Ah。

（4）綠色環(huán)保。鉛酸蓄電池中存在著大量的鉛，在廢棄后若處理不當(dāng)，將對環(huán)境產(chǎn)生污染，而鋰材料無任何有毒有害物質(zhì)，被世界認(rèn)為綠色環(huán)保電池，該電池?zé)o論在生產(chǎn)及使用中均無污染，成為廣為關(guān)注研究的熱點(diǎn)。

（5）使用安全。磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強(qiáng)烈的碰撞下會產(chǎn)生爆炸對消費(fèi)者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過嚴(yán)格的安全測試即使在最惡劣的情況下也不會產(chǎn)生爆炸。

（6）高能量密度。能量密度是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度是指平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鉛酸電池的3～4倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鉛酸電池的體積會更小，重量更輕。相同容量的磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池相比，體積減少25%～30%，重量減少50%～60%。

（7）出色的高溫性能。磷酸鐵鋰電池?zé)岱逯悼蛇_(dá)350～500攝氏度，工作溫度范圍寬廣，高穩(wěn)情況下仍可放出100%的容量。

（8）無記憶效應(yīng)?？沙潆婋姵卦诮?jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鉛酸電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。表1示出的是鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池性能對照。

3 磷酸鐵鋰電池在應(yīng)急照明屏中的應(yīng)用

軌道交通用應(yīng)急照明屏正常由交流屏內(nèi)交流電源供電，在發(fā)生交流電源故障后由蓄電池組經(jīng)逆變裝置逆變后變?yōu)榻涣麟娊o應(yīng)急照明負(fù)荷供電。系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 應(yīng)急照明系統(tǒng)原理圖

磷酸鐵鋰電池組系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)模塊由若干個相同規(guī)格的磷酸鐵鋰電池單體并聯(lián)而成，電池組再由若干個標(biāo)準(zhǔn)模塊串并聯(lián)而成。磷酸鐵鋰電池組系統(tǒng)安裝在電池屏內(nèi)，典型的電池屏尺寸為500mm*600mm*2200（寬*深*高）。

由于磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，單體電池的一致性差異會比鉛酸電池大，這就導(dǎo)致電池組在充電后期個別電池的電壓迅速上升，加之軌道交通變電所長期處于無人值守狀態(tài)，不容易及時發(fā)現(xiàn)，從而造成磷酸鐵鋰電池組壽命減短或者損壞的現(xiàn)象，為了避免以上現(xiàn)象，保證磷酸鐵鋰電池達(dá)到運(yùn)行最佳狀態(tài)，在使用時需要采用電池管理系統(tǒng)（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM）。

BMS系統(tǒng)是電池保護(hù)和管理的核心組成部分。作為應(yīng)急照明系統(tǒng)的后備電能，BMS系統(tǒng)在正常交流電源與電池組之間起到橋梁作用。BMS系統(tǒng)的安全管理模式對電池的安全性能至關(guān)重要，主要包括數(shù)據(jù)采集單元、計算以及控制單元等。BMS系統(tǒng)具有電池的充放電保護(hù)、故障預(yù)警及處理、絕緣電阻測量、高電壓預(yù)警管理、電池剩余容量估算、單體電池測量、電池溫度測量、系統(tǒng)時間記錄等功能。，不僅保證了電池安全可靠，而且充分發(fā)揮了電池的性能并延長了使用壽命。

4 磷酸鐵鋰電池存在的問題

（1） 磷酸鐵鋰電池的低溫充電性能稍差，充電溫度需高于0℃。否則電池的不可逆容量會隨著溫度的降低而升高。

（2）磷酸鐵鋰價格雖然呈下降趨勢，但是仍然相對偏高。其價格是進(jìn)口鉛酸蓄電池對應(yīng)電池的3倍，是國產(chǎn)鉛酸蓄電池8-9倍。

（3）磷酸鐵鋰電池在軌道交通供電系統(tǒng)中僅在個別工程中使用，還未經(jīng)過長期的、大量的實踐驗證，可靠性有待檢驗。

5 結(jié)語

磷酸鐵鋰電池雖然一次性投入成本較高，但是通過與常規(guī)電池的性能比較分析，我們發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池的性能遠(yuǎn)高于鉛酸電池，且使用磷酸鐵鋰電池環(huán)保、無污染。目前磷酸鐵鋰電池已經(jīng)應(yīng)用于上海軌道交通11號線等線路的UPS系統(tǒng)、上海軌道交通車輛基地光伏發(fā)電系統(tǒng)等，并且即將應(yīng)用于上海軌道交通的新線建設(shè)中?？梢灶A(yù)見，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的不斷提升及價格的下降，磷酸鐵鋰電池在軌道交通領(lǐng)域尤其是應(yīng)急照明系統(tǒng)將獲得廣泛的應(yīng)用。