地鐵機(jī)電設(shè)備蓄電池性能比較及應(yīng)用研究

李漢偉

（中鐵四院集團(tuán)新型軌道交通設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 蘇州 215009）

1 地鐵機(jī)電設(shè)備蓄電池容量及分布

1.1 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)

根 據(jù)《地 鐵 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》（GB 50157—2013）[1]，地 鐵工程需用到蓄電池的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)按照專業(yè)、場所基本分為以下幾類：火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）。

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警控制器：一般內(nèi)置蓄電池，3h 后備容量；FAS 圖形工作站，1kW，3h，位于消防控制室（或車控室）。

BAS 機(jī)柜：容量一般為15kW，持續(xù)時(shí)間為1h。位于環(huán)控電控室。

ISCS 系 統(tǒng) 網(wǎng) 絡(luò) 機(jī) 柜（ 含 門 禁）： 容 量 一 般 為20kW，持續(xù)時(shí)間為1h。位于綜合監(jiān)控設(shè)備室。

1.2 通信、信號系統(tǒng)

通信整合UPS 電源室[2]、信號電源室。通信整合UPS，一般裝機(jī)容量為80kW；信號集中站一般裝機(jī)容量為45kW，非集中站裝機(jī)容量為10kW。

1.3 動(dòng)力照明

1.3.1 備用照明

《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51309—2018）實(shí)施后，一般標(biāo)準(zhǔn)站配置2 臺EPS，放置在車站左右端照明配電室?？?cè)萘考s為30kW，持續(xù)時(shí)間90min。蓄電池在EPS 機(jī)柜內(nèi)落地安裝。

1.3.2 疏散照明

疏散照明為車站和區(qū)間消防疏散照明供電的集中電源。一般標(biāo)準(zhǔn)站為10 臺，每臺容量較小，約為1kVA，持續(xù)時(shí)間3h。蓄電池均在集中電源裝置內(nèi)內(nèi)置，掛墻安裝。

1.4 變電所操作電源

變電所操作電源的交直流屏，也放置有蓄電池[3]。其一般要求2h 的持續(xù)供電時(shí)間，蓄電池容量約在15kW。

綜上所述，地鐵機(jī)電設(shè)備使用蓄電池的一般有通信、信號、FAS/BAS/ISCS/ACS、低壓配電與照明、供電等幾個(gè)專業(yè)，涉及專業(yè)多，容量較大，且分不同專業(yè)和部門采購安裝。若對蓄電池選用不當(dāng)，易造成火災(zāi)，將影響地鐵消防安全。此外，有必要對地鐵各專業(yè)蓄電池選用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和采購進(jìn)行統(tǒng)一，有利于備品備件、蓄電池售后及維護(hù)。

2 蓄電池分類及結(jié)構(gòu)

2.1 固定型閥控密封式鉛酸蓄電池

根據(jù)硫酸電解液的吸附方式不同，固定型閥控密封式鉛酸蓄電池(VRLA)分為兩類[4]：一類是采用超細(xì)玻璃棉（AGM）作隔板固定電池硫酸電解液技術(shù)的貧液式設(shè)計(jì)的AGM 蓄電池。另一類是采用硅凝膠來固定硫酸電解液富液式設(shè)計(jì)的膠體蓄電池。

AGM 蓄電池由正極板、負(fù)極板、可吸附玻璃棉（AGM）隔板、硫酸電解質(zhì)、安全閥和電池外殼等幾部分組成。在AGM 蓄電池中，電解質(zhì)是通過玻璃棉隔板（AGM 隔板）來固定的，電池中沒有自由流動(dòng)的電解液。蓄電池在充電過程中產(chǎn)生的氧氣通過AGM 隔板中的氣孔通道到達(dá)負(fù)極實(shí)現(xiàn)氧循環(huán)。

膠體(Gel)蓄電池由正極板、負(fù)極板、微孔塑料隔板、膠體電解質(zhì)、安全閥和電池外殼等幾部分組成。在膠體蓄電池中，電解質(zhì)是通過凝膠（Gel）來固定的，二氧化硅(SiO2)凝膠在硫酸電解液中的含量一般為5%左右。蓄電池在充電過程中產(chǎn)生的氧氣是通過膠體的裂紋通道到達(dá)負(fù)極實(shí)現(xiàn)氧循環(huán)的。目前膠體蓄電池的隔板一般是采用專用的微孔塑料隔板，包括聚氯乙烯(PVC)或酚醛樹脂類塑料隔板，其在膠體蓄電池中的作用只是用來隔離蓄電池正、負(fù)極板和防止鉛枝晶短路。

2.2 鋰電池

鋰離子電池是指分別用兩個(gè)能可逆的嵌入與脫嵌鋰離子的化合物，作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池，俗稱“鋰電”。

鋰電池由正極（LiFePO4）、中間的電解質(zhì)（LiPF6）、聚乙烯隔膜及負(fù)極碳組成。當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí)，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極。鋰電池的檢測標(biāo)準(zhǔn)目前主要有《通信用磷酸鐵鋰電池組第1 部分：集成式電池組》（YD/T 2344.1—2011）、《通信用磷酸鐵鋰電池組第2 部分：分立式電池組》（YD/T 2344.2—2015）。

3 蓄電池技術(shù)參數(shù)對比

3.1 膠體電池和常規(guī)鉛酸電池區(qū)別

以下從電池結(jié)構(gòu)、性能差異方面對12V 膠體電池和常規(guī)鉛酸電池（包括AGM 鉛酸蓄電池）列表進(jìn)行對比分析，如表1、表2 所示。

表1 膠體電池和常規(guī)鉛酸電池結(jié)構(gòu)差異

表2 膠體電池和常規(guī)鉛酸電池性能差異

通過以上結(jié)構(gòu)及性能差異對比可見，膠體電池的可靠性、安全性、一致性等較普通鉛酸蓄電池有明顯提高。

3.2 鋰電池和鉛酸膠體電池的對比

以下從重量能量密度、體積能量密度、使用壽命等角度來進(jìn)行比較：

3.2.1 重量能量密度

目前的鋰電池能量密度一般在200～260wh/g，鉛酸膠體電池能量密度一般在50～70wh/g，那么重量能密度鋰電池就是鉛酸的3～5 倍，即相同容量的情況下，鉛酸電池（即鉛酸膠體電池）是鋰電池的3～5倍，所以在儲能裝置輕量化上，鋰電池占據(jù)絕對優(yōu)勢。

3.2.2 體積能量密度

鋰電池的體積容量密度通常是鉛酸電池的1.5 倍左右，所以相同容量的情況下，鋰電池比鉛酸電池體積要小30%左右。

3.2.3 使用周期

目前較為流行的材料體系是三元和鐵鋰。三元?jiǎng)恿π弯囯姵匮h(huán)次數(shù)通常在1000 次以上，磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數(shù)在2000 次以上，鉛酸電池的循環(huán)次數(shù)通常只有300～350 次左右，所以鋰電池的使用壽命是鉛酸電池的3～6 倍左右。

4 經(jīng)濟(jì)效益和各地應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)測算，膠體電池比普通鉛酸電池的初裝造價(jià)會高出20%左右。但膠體電池在使用壽命、免維護(hù)、可靠性及安全性方面均明顯優(yōu)于普通鉛酸電池。從綜合效益看，膠體電池的經(jīng)濟(jì)效益整體要明顯優(yōu)于鉛酸電池。

目前鋰電池在價(jià)格上較鉛酸要貴，初期投入大約是鉛酸電池的3 倍左右。

4.2 各地應(yīng)用情況

4.2.1 EPS 蓄電池

EPS 蓄電池選用類型詳見表3。

表3 EPS 蓄電池選用類型

4.2.2 信號蓄電池

信號蓄電池選用類型詳見表4。

表4 信號蓄電池選用類型

4.2.3 鋰電池

目前尚無地鐵有大規(guī)模使用鋰電池的使用案例，僅杭州地鐵部分線路在低壓配電的消防應(yīng)急照明的集中電源有采用（容量較小，每個(gè)集中電源1kVA）。鋰電池目前在電動(dòng)汽車、通信行業(yè)的通信基站、電力行業(yè)的儲能電站方面應(yīng)用較多。

5 結(jié)論

地鐵機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)需使用蓄電池的一般有通信、信號、FAS/BAS/ISCS、低壓配電、供電等幾個(gè)專業(yè)。建議各專業(yè)蓄電池選型及類型宜盡量統(tǒng)一，可減少備品備件投資、提高通用性。

鑒于膠體電池在使用壽命、免維護(hù)、可靠性及安全性方面均明顯優(yōu)于普通鉛酸電池，且應(yīng)用成熟，建議在地鐵機(jī)電系統(tǒng)蓄電池選用中可予以推廣應(yīng)用。

鋰電池在能量密度和使用周期方面較膠體電池有較大優(yōu)勢，但初期投資較大，且目前尚無地鐵大規(guī)模應(yīng)用案例。在地鐵機(jī)電設(shè)備用房壓縮規(guī)?；騼?yōu)化用房面積時(shí)，可小范圍試點(diǎn)使用。

建議運(yùn)營人員加強(qiáng)對蓄電池的維護(hù)和巡檢，確保蓄電池使用安全。必要時(shí)增設(shè)蓄電池安全健康預(yù)警管理系統(tǒng)等在線實(shí)時(shí)監(jiān)測措施。