蘇通GIL運輸專用機具動力電池類型探討

夏順俊 ，陳江華 ，宋帥 ，趙冬，嚴垚，鞠保興，俞海燕，高峰

(1. 江蘇省送變電有限公司, 江蘇 南京210037； 2. 太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

蘇通GIL(氣體絕緣金屬封閉輸電線路)運輸專用機具是為了安全、可靠、高效地完成蘇通GIL綜合管廊工程GIL設備在管廊內的運輸與預就位任務而專題研制的全新設備，是一種特殊的輪軌式運輸機具。

蘇通GIL綜合管廊工程是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術水平最高的超長距離GIL創(chuàng)新工程。工程位于蘇通大橋上游1km處過江，起于南岸蘇州引接站，止于北岸南通引接站。是目前國內埋深最深、水土壓力最高的隧道工程，全長約5.6km。

根據工程設計，在工程建設期間管廊內部需將約2000段各類GIL單元設備分別由南岸蘇州引接站、北岸南通引接站運輸至管廊內部并預就位。GIL單元設備長約18m，最大單體質量達5.1t。三相運輸單元最大質量13t，運輸任務艱巨。為實現管廊綜合利用最大化，管廊內設計預留的GIL設備運輸空間極為有限。

為適應GIL綜合管廊長距離、大坡度、多變徑的環(huán)境特點以及重負荷、高強度、精就位的施工需求，GIL運輸專用機具自然摒棄了傳統的內燃機動力系統，采用電池動力系統。

1 動力電池的分類

目前，較為成熟的動力電池依據其材料的不同分成幾類：鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池[1-2]。

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是指電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。

相比于其他幾種蓄電池，鉛酸電池是工業(yè)化最早的二次電池，是化學電池中市場份額最大、使用范圍最廣的電池。其實現工業(yè)化生產的時間最長、技術最為成熟，具有低成本、無可燃性，性能穩(wěn)定、可靠，適用性好的特點。但其能量密度偏低，一般為30～40Wh/kg，只有鋰離子電池的1/3左右、氫鎳電池的1/2左右；循環(huán)壽命偏短，理論循環(huán)次數僅為鋰離子電池1/3左右。

1.2 鎳氫蓄電池

鎳氫電池是一種性能良好的蓄電池。鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。鎳氫電池正極活性物質為Ni(OH)2(稱NiO電極)，負極活性物質為金屬氫化物，也稱儲氫合金(電極稱儲氫電極)，電解液為6 mol/L氫氧化鉀溶液。鎳氫電池作為氫能源應用的一個重要方向越來越被人們所關注[1]。

鎳氫電池目前多用于混動汽車的儲能電池。

與鉛酸電池相比鎳氫電池的能量密度約為70～100Wh/kg。功率密度高、可大電流放電，其低溫放電性能也較為理想。但由于電池單體電壓僅為1.2V，是鋰電池的1/3，因此在需求電壓一定的情況下，其電池組的體積要比鋰電池大一些。

與鋰電池一樣，鎳氫電池也需要電池管理系統，但其更注重電池的充放電管理。之所以存在這樣的區(qū)別，主要是源于鎳氫電池具有“記憶效應”，即電池在循環(huán)充放電過程中容量會出現衰減，而過度充電或放電，都可能加劇電池的容量損耗(鋰電池此項特性幾乎可忽略不計)。因此對于廠商來說，鎳氫電池控制系統在設定上都會主動避免過度充放電，如將電池的充放電區(qū)間人為控制在總容量的一定百分比范圍內，以降低容量衰減速度。

1.3 鋰離子電池

鋰離子蓄電池是用錳酸鋰、磷酸鋰或鈷酸鋰等鋰的化合物作正極，用可嵌入鋰離子的碳材料作負極，使用有機電解質的蓄電池。目前純電動汽車上應用的儲能裝置主要是鋰離子電池[2]。

按照鋰離子電池正極的材料不同，汽車動力鋰離子電池主要分為：錳酸鋰離子蓄電池、磷酸鐵鋰離子電池、鈷酸鋰離子電池、三元聚合物鋰離子蓄電池等。

1) 錳酸鋰離子蓄電池

錳酸鋰離子蓄電池是指正極材料使用錳酸鋰材料的電池，其標稱電壓達到3.7V，以成本低、安全性好而被廣泛使用。錳酸鋰(LiMn2O4)具有尖晶石結構，其理論容量為148mA·h/g，實際容量為90～120mA·h/g，工作電壓范圍為：3～4V。

主要優(yōu)點是錳資源豐富、價格便宜、安全性高、比較容易制備。缺點是理論容量不高。材料在電解質中會緩慢溶解，即與電解質的相容性不太好；在深度充放電的過程中，材料容易發(fā)生晶格畸變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫度下使用時更是如此。

2) 磷酸鐵鋰離子電池

磷酸鐵鋰離子蓄電池是使用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子蓄電池。磷酸鐵鋰(LiFeO4)具有橄欖石晶體結構，其理論容量為170mA·h/g，在沒有摻雜改性時其實際容量已高達110mA·h/g。通過對磷酸鐵鋰進行表面修飾，其實際容量可高達165mA·h/g，已經非常接近理論容量，工作電壓為3.4V左右。

磷酸鐵鋰具有高穩(wěn)定性、更安全可靠、更環(huán)保并且價格低廉的特性，但其缺點是電阻率較大，電極材料利用率低，低溫性能衰減較為嚴重。

3) 鈷酸鋰離子蓄電池

鈷酸鋰離子蓄電池是指用鈷酸鋰作為正極材料的鋰離子蓄電池，其標稱電壓為3.6V。鈷酸鋰(LiCoO2)具有尖晶石結構，其理論容量為135～145mA·h/g。

主要優(yōu)點是電化學性能優(yōu)越，易加工，性能穩(wěn)定，一致性好，比容量高，綜合性能突出。但其也有著明顯的缺點，目前鈷酸鋰電池的應用還是比較少的。小電池用鈷鋰的技術很成熟，應用于動力電池方面也有一定的難度；其最大缺點在于鈷是比較稀缺的戰(zhàn)略性金屬，鈷酸鋰電池的成本太高。

4) 三元聚合物鋰離子蓄電池

三元聚合物鋰離子電池是指用鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)或者鎳鈷鋁酸鋰的三元正極材料的鋰電池[3]。其容量約為160～185mA·h/g，電壓高線可以達到4.2V，放電平臺可以達到3.6～3.7V。

與磷酸鐵鋰電池相比，三元聚合物電池的優(yōu)點是電壓平臺高，能力密度更高、耐低溫、循環(huán)性能也更好。缺點是安全性差，熱穩(wěn)定性較差，在250℃～300℃高溫就會產生分解，并且三元鋰材料的化學反應尤其強烈，一旦釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，隨即發(fā)生爆燃現象。三元聚合物電池在大倍率充放電時正負極在充放電過程會發(fā)生體積收縮和膨脹，而充放電電流越大，收縮膨脹越劇烈，應力越大，從而正負極的顆粒在體積快速變化中更容易發(fā)生破裂或者從集流體剝離，導致循環(huán)衰減加快，也容易造成三元鋰電池容量損失。

2 蘇通GIL動力電池需求分析

蘇通GIL綜合管廊工程是一項世紀工程，保證蘇通GIL運輸專用機的本質安全是設備研發(fā)期間一項重要的課題。所以動力電池類型的選擇必須要充分考慮動力電池的本質安全。

由于蘇通GIL綜合管廊預留的運輸空間有限，所以蘇通GIL運輸專用機具的設計尺寸也較為緊湊。同時為了延長續(xù)航，動力電池的能量密度越大越好。

蘇通GIL綜合管廊工期緊張，對動力電池的可靠性有著較高的要求，要求動力電池的工業(yè)化程度較高，應用較為廣泛，制造技術較為成熟。

蘇通GIL綜合管廊工程有著大坡度、多變徑的綜合特點，但GIL運輸機具運行路線固定，在施工期間其耗電狀態(tài)是可以進行計算的，從而可以進一步計算得出蘇通GIL運輸專用機具動力電池的需求電量。

從圖1所示的蘇通GIL綜合管廊縱斷圖，可以看出其全行程是由不同坡道組成。因管廊是由中間分別向兩端施工，運輸機具也是分別由南北兩岸向管廊中間運輸及預就位GIL單元，所以可以將工況分為南北兩個不同工況，每個工況由不同坡道組成，如表1所示。

表1 南北兩岸運輸路線坡道組成

圖1 蘇通GIL綜合管廊縱斷圖

根據蘇通GIL運輸專用機具自重、行走電機選型等數據，可分別計算出兩條路線的動力電池充放電功率曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 南岸路線動力電池輸出功率曲線

圖3 北岸路線動力電池輸出功率曲線

3 動力電池類型的選擇

由于蘇通GIL運輸專用機具是為了適應蘇通GIL綜合管廊預留的有限運輸空間，其尺寸設計較為緊湊，所以能力密度更高的鋰離子動力電池是優(yōu)選技術路線。

目前，國內工業(yè)化程度最高的鋰離子動力電池是磷酸鐵鋰型動力電池和三元聚合物動力電池。綜合比對這兩種動力電池可以發(fā)現，三元鋰電池在比能量、比功率、大倍率充電、低溫性能等方面具有優(yōu)勢，而在循環(huán)性能方面磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢更為明顯。相比于三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池體積、質量較大、價格較高[3]。

從安全性指標來看[4]，在整體制造工藝等因素相同情況下，三元材料熱穩(wěn)定性較差，在200℃左右的外界溫度下就會分解，并釋放出氧氣，一旦著火容易造成“熱失控”，在極短的時間內就會產生爆燃。而磷酸鐵鋰熱穩(wěn)定性好，在800℃左右的外界溫度下才會產生分解，即使分解也不會釋放氧氣。所以磷酸鐵鋰電池燃燒需要外部提供氧氣，一旦氧氣源被切斷，火就能熄滅。在極端情況下，磷酸鐵鋰的燃燒也不激烈，且火勢擴大較為緩慢，起火也比較容易被撲滅。

對于蘇通GIL專用運輸機具來說，兩種類型的鋰離子動力電池方案質量、尺寸均可滿足，但從本質安全性角度考慮，應選用磷酸鐵鋰型動力電池。

4 結語

本文通過對蘇通GIL運輸專用機具對動力電池的需求以及各種常見動力電池特點及其優(yōu)缺點的分析，并通過綜合比選，最終確定了蘇通GIL運輸專用機具采用磷酸鐵鋰型動力鋰電池，為蘇通GIL運輸專用機具的研制明確了技術路線。蘇通GIL運輸專用機具的成功研制，必將助力蘇通GIL綜合管廊工程安全、優(yōu)質、高效地施工，助推我國電力建設事業(yè)的高速、健康發(fā)展。