新能源電池在城軌交通工程車的應(yīng)用實(shí)踐

摘 要：本文介紹了磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)在城市軌道交通電力蓄電池機(jī)車上的應(yīng)用情況。從電池的材料、原理、制造、電池系統(tǒng)的測試與安全性、實(shí)車應(yīng)用與系統(tǒng)狀態(tài)評估等多個維度進(jìn)行闡述，結(jié)合深圳地鐵的實(shí)際運(yùn)用證實(shí)了新能源電池系統(tǒng)在城市軌道交通方面的實(shí)用性，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池 BMS電池管理系統(tǒng) 熱管理系統(tǒng) 城市軌道交通 系統(tǒng)狀態(tài)評估

隨著城軌交通發(fā)展，日常維修使用的工程車，大部分使用傳統(tǒng)內(nèi)燃動力機(jī)車，給現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、員工職業(yè)健康帶來影響，隨著高質(zhì)量發(fā)展的深入推進(jìn)，以及實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的總體目標(biāo)，設(shè)備轉(zhuǎn)型升級更新的需求不斷擴(kuò)大，研究新能源動力電池在城軌交通工程車安全應(yīng)用，具有良好的基礎(chǔ)和廣泛的前景[1]。經(jīng)市場調(diào)研、技術(shù)可行性交流，選取對磷酸鐵鋰電池從機(jī)理、材料、制造、出廠測試和安全防護(hù)等進(jìn)行全方位、全環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析，磷酸鐵鋰電池?zé)岱€(wěn)定性良好， 內(nèi)部充放電過程不產(chǎn)生氧氣不易發(fā)生爆炸，具備在城軌交通工程車上運(yùn)用的可行性、安全性，實(shí)用性，具體內(nèi)容如下。

1 電池化學(xué)反應(yīng)原理分析

1.1 磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料分析

磷酸鐵鋰（LiFePO4），具有良好的熱穩(wěn)定性、循環(huán)性能、無毒，同時有較高的理論容量和較好的放電平臺，是動力電池首選的正極材料[2]。

LiFePO4 屬于橄欖石晶體結(jié)構(gòu)如《LiFePO4 橄欖石晶體結(jié)構(gòu)》，其結(jié)構(gòu)基元是LiO6八面體、FeO6八面體和PO4四面體，磷酸根中強(qiáng)的P-O共價鍵形成離域的三維立體化學(xué)鍵，在完全充電狀態(tài)下穩(wěn)定了氧原子，LiFePO4具有很強(qiáng)的熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性，在常壓下，加熱到200℃依然是穩(wěn)定的，該共價鍵結(jié)構(gòu)的存在使得LiFePO4成為一種安全的正極材料。

1.2 電池充放電原理分析

LiFePO4 電池充放電是在LiFePO4與 FePO4兩相之間進(jìn)行，由于LiFePO4與 FePO4的結(jié)構(gòu)相似，所以LiFePO4具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性如《磷酸鐵鋰充放電機(jī)理》。

充電時： LiFePO4-xLi+-xe- →xFePO4+（1-x）LiFePO4 （1）

放電時： FePO4+xLi++xe- →xLiFePO4+（1-x）FePO4 （2）

充電時 Li+從 LiFePO4 中脫出形成 FePO4，即 Li+從正極脫出， 經(jīng)過電解液、隔膜，遷移到負(fù)極，此時負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時鋰離子嵌入 FePO4形成 LiFePO4 ，放電過程正好相反。 由于兩物相變過程鐵氧配位關(guān)系變化很小，故在 Li+脫嵌過程中雖然存在物相變化，但是不影響其電化學(xué)性能的體積效應(yīng)產(chǎn)生，這是該材料具有良好循環(huán)性能的原因之一。

從表1可以看出二者在結(jié)構(gòu)上非常相似，LiFePO4在脫鋰形成 FePO4后，體積只減少6.81%，密度增加2.59%。而且其與碳負(fù)極配對，放電過程碳負(fù)極體積變大，與正極相反，這樣可使電池充放電反應(yīng)過程中內(nèi)部材料的總體積變化很小，減少應(yīng)力。

1.3 不產(chǎn)生氧氣內(nèi)部不會爆炸

磷酸鐵鋰電池由于P-O 共價鍵的存在，在電化學(xué)反應(yīng)中穩(wěn)定了氧原子，即使在失效時：內(nèi)部也不產(chǎn)生氧氣，反應(yīng)速率較慢，同時電池安裝有防爆泄壓閥，內(nèi)部產(chǎn)其他氣體后泄壓，不會發(fā)生爆炸。

1.4 正極材料熱穩(wěn)定性良好

磷酸鐵鋰電池正極材料為磷酸鐵鋰（LiFePO4），負(fù)極材料為石墨。LiFePO4 材料的熱分解溫度在500-600℃之間，放熱量大約 240J/g，是目前常見正極材料中熱穩(wěn)定性最好的。

研究表明[3]：磷酸鐵鋰在特定狀態(tài)下的熱行為，處于充電態(tài)的磷酸鐵鋰在溫度達(dá)到 360℃才出現(xiàn)一個微小的放熱峰，而處于放電態(tài)的磷酸鐵鋰在溫度達(dá)到 400℃才出現(xiàn)了一個微小的放熱峰，因此磷酸鐵鋰材料在低于 360℃時一般處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。

2 生產(chǎn)制造及測試分析

2.1 生產(chǎn)制造分析

磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)制造的疊片工序中，相較于傳統(tǒng)動力電池以卷繞的形式生產(chǎn)電芯，細(xì)片電池采用疊片工藝、疊片結(jié)構(gòu)有著更均勻一致的電流密度、優(yōu)良的內(nèi)部散熱性能、更適合大功率放電。因此細(xì)片電池有著更好的循環(huán)特性、安全特性和能量密度。

細(xì)片電池通過在關(guān)鍵部位使用耐高溫和具有優(yōu)異絕緣性能的高溫陶瓷涂層，陶瓷涂層對于鋰離子電池性能有重要的影響。全方位的安全涂層，當(dāng)電芯發(fā)生內(nèi)部短路時，不會發(fā)生劇烈反應(yīng)，不僅能顯著地提高安全性，還能提高電池的循環(huán)等綜合性能。

2.2 電池安全測試分析

目前軌道交通行業(yè)鋰電池標(biāo)準(zhǔn)還未發(fā)布，國內(nèi)外動力電池安全性測試標(biāo)準(zhǔn)主要有 QCT743-2006、GB/T31485-2015、 IEC62660-2-2010、IEC62619-2022、IEC62133-2010、UL1642-2009， 經(jīng)過對比分析，GB/T31485-2015、IEC62660-2-2010 是相對其他標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)苛的測試標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 安全測試總體情況

選取各測試標(biāo)準(zhǔn)里邊的最嚴(yán)苛的測試要求，對磷酸鐵鋰電池進(jìn)行安全測試，分別對單體及模組的過充、過放、擠壓、針刺、短路、爐熱等指標(biāo)及模組的過充、過放、震動沖擊、過熱、擠壓、水泡等指進(jìn)行測試，結(jié)果不起火、不爆炸，根據(jù)歐卡爾危害等級劃分有3項(xiàng)達(dá)到 L4級，可通過 BMS系統(tǒng)杜絕過充；其余等級均在L3級及以下。

2.2.2 磷酸鐵鋰電池安全性測試報告

目前先市場上主流生產(chǎn)廠家的磷酸鐵鋰電池已通過GB38031-2020、QC/T 743、UL1642、UL2580、UN38.3、UL1973、IEC62619等多項(xiàng)安全認(rèn)證。

3 安全保護(hù)措施分析

3.1 電池管理系統(tǒng)（BMS）安全保護(hù)

電池管理系統(tǒng)（BMS）由模組級 BMU、簇級BCMU及顯示器組成，通過電池信息采集監(jiān)控、電池安全分析、電池狀態(tài)分析、能量控制管理、通信管理等管理模式，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的安全管理，當(dāng)電池出現(xiàn)過壓、低壓、過流、容量低、高溫、低溫、漏電等異常時，BMS能發(fā)出告警信息并進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)動作，可根據(jù)整車控制策略進(jìn)行匹配調(diào)整。如表2所示。

3.2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）安全保護(hù)

每組蓄電池組配置一套5-6kW的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，BTMS從BMS獲取電池溫度，電流，電壓等數(shù)據(jù)，再采集進(jìn)出水口溫度，從而調(diào)節(jié)水溫和流量，確保電池在適宜的溫度環(huán)境中運(yùn)行。

3.3 自動滅火系統(tǒng)及火災(zāi)探測器消防保護(hù)

每個電池箱配置一套全氟己酮溫電雙控自動滅火裝置和一個火災(zāi)探測器，組裝成套且具有聯(lián)動控制功能的感溫+電磁自啟動滅火裝置。

3.4 電池箱隔熱防火保護(hù)

箱體內(nèi)表面增加陶瓷纖維隔熱防火棉，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隔熱隔火設(shè)計(jì)，起到延緩熱蔓延的作用，可以隔熱保溫。防火等級可以達(dá)到 UL94-V0 或 EN45545-HL3 級別。

3.5 電池箱（包）防爆安全

單個電池包防護(hù)等級為IP67，在每個電池包上設(shè)置有防爆泄壓閥。當(dāng)電池包內(nèi)部壓力達(dá)到一定狀態(tài)時，泄壓閥打開，防止蓄電池爆炸。

電池包安裝在電池箱內(nèi)，電池箱的防護(hù)等級為IP65，在每個電池箱上設(shè)置有防爆泄壓閥。當(dāng)電池箱內(nèi)部壓力達(dá)到一定狀態(tài)時，泄壓閥打開，防止箱體內(nèi)蓄電池爆炸。

4 磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)實(shí)踐運(yùn)用

選取深圳地鐵11號線電動軌道車牽引蓄電池配裝磷酸鐵鋰電池，同時增加了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）和消防系統(tǒng)。磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)組成及電芯主要指標(biāo)參數(shù)如下。

4.1 電池主要性能指標(biāo)

（1）單體額定電壓：3.2V；

（2）電池輸出總電壓：768V；

（3）電池總?cè)萘浚?90Ah；

（4）充電時間：8h；

（5）續(xù)航里程：機(jī)車牽引110t時列車?yán)m(xù)航里程可達(dá)120km左右。

4.2 系統(tǒng)組成

本套系統(tǒng)主要由磷酸鐵鋰電池及BMS系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)組成，具體組成如下。

（1）磷酸鐵鋰電池配置6個電池箱，每箱由3個磷酸鐵鋰電池包，合計(jì)18個磷酸鐵鋰電池包，以及配套的電池管理系統(tǒng)BMS。

（2）BMS電池管理系統(tǒng)。BMS電池管理系統(tǒng)由兩套獨(dú)立的、相同的BMS系統(tǒng)組成，采用冷備的方式進(jìn)行切換。正常工作時，一套BMS系統(tǒng)正常上電工作，另一套BMS系統(tǒng)不上電。當(dāng)BMS電池管理系統(tǒng)本身出現(xiàn)嚴(yán)重故障時（例如通信失效、采樣數(shù)據(jù)丟失等），整車顯示屏?xí)崾舅緳C(jī)切換到備份BMS，由司機(jī)只需要啟動備份BMS供電，備份BMS便會自主自檢然后上高壓，實(shí)現(xiàn)BMS雙系統(tǒng)的自動切換[4]。

（3）熱管理系統(tǒng)。主要由水泵、冷凝器、散熱器等組成散熱機(jī)組，雙套機(jī)組，當(dāng)一套機(jī)組故障時，自動切換為另一套機(jī)組，具備功能冗余。

（4）消防系統(tǒng)。主要由消防控制器、全氟已酮滅火器（三個共36kg）、復(fù)合探測器、管道等組成。

5 機(jī)車應(yīng)用表現(xiàn)

5.1 運(yùn)用情況

通過裝車試驗(yàn)、投用，自2024年1月至今，機(jī)車完成正線牽引作業(yè)61列，段廠調(diào)車作業(yè)116批次，機(jī)車安全運(yùn)行里程達(dá)到1123.7公里，期間未發(fā)生由于磷酸鐵鋰系統(tǒng)故障導(dǎo)致作業(yè)取消的情形。

5.2 故障情況

查閱BMS顯示屏歷史報警數(shù)據(jù)。具體情況如下。

電池單體過高1級報警以及SOC過高1級告警，共出現(xiàn)10條報警。

無單體電壓過高以及單體電壓過低等2、3級報警。

充放過程無報警記錄。

6 系統(tǒng)狀態(tài)評估

磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)電芯、熱管理系統(tǒng)和消防系統(tǒng)工作正常、運(yùn)行穩(wěn)定，電芯的健康度良好。具體情況如下。

6.1 外觀檢查

6.1.1 電池箱

檢查電池柜電池包可視部分是否有裂紋、燒痕現(xiàn)象，安全閥無彈起；檢查蓄電池包MSD插座、高低壓線束、探測器、通訊線安裝緊固無松動、接線狀態(tài)良好；連接水管路無滲漏水、無破損，無老化開裂。

6.1.2 BMS系統(tǒng)

檢查BMS主控制、兩級控制板接線牢固、狀態(tài)正常，BMS顯示屏狀態(tài)正常。

6.1.3 熱管理系統(tǒng)

檢查管理機(jī)組風(fēng)扇正無缺葉破損，冷卻水箱液面處于上下刻線之間，未異常消耗，檢查外部電氣連接無松動；檢查水管接頭、水管無滲漏。

6.2 靜態(tài)測試

6.2.1 BMS測試

（1）機(jī)車110V上電，系統(tǒng)通過BMS顯示屏可以讀取到電芯的相關(guān)信息，如圖2所示。從圖中可以看出，電池系統(tǒng)當(dāng)前靜置SOC為73.9%。單體電芯最高電壓為3.333V，最低電壓為3.330V，壓差0.003V。

（2）當(dāng)上位機(jī)BMS系統(tǒng)閾值設(shè)定在壓差達(dá)到0.35V時觸發(fā)一級預(yù)警。

（3）當(dāng)壓差最大達(dá)到0.5V時即觸發(fā)三級告警。

（4）禁充禁放，單體電芯壓差此時沒有觸發(fā)報警，即電芯一致性良好。

（5）電芯單體電芯溫度最高27℃，最低26℃，溫差值為1℃，當(dāng)上位機(jī)BMS設(shè)置溫差閾值為15℃，實(shí)測無異常。

（6）三條支路的SOH均為100%，電芯健康度良好。

（7）查閱從上位機(jī)下載的數(shù)據(jù)，單簇累計(jì)充電容量數(shù)為2195.6Ah，累計(jì)放電容量為1912Ah，單簇容量為230Ah，經(jīng)換算，電池滿充滿放循環(huán)次數(shù)約為10次。季度評估獲取到的電池?fù)Q算得電池滿充滿放循環(huán)次數(shù)約為9次，說明該季度內(nèi)電池滿充放次數(shù)僅為1次，電池的使用頻次較低。

6.2.2 熱管理系統(tǒng)測試

整車輔逆啟動后，等待約30s，觀察到熱管理機(jī)組風(fēng)扇自轉(zhuǎn)，熱管理機(jī)組成功上電清灰。根據(jù)數(shù)據(jù)，此時的電芯最高溫度為27℃，未達(dá)到熱管理機(jī)組制冷啟動溫度，完成上電自轉(zhuǎn)后熱管理進(jìn)入制冷待機(jī)模式，經(jīng)測試，熱管理機(jī)組各項(xiàng)功能工作正常。

6.3 動態(tài)測試

（1）段內(nèi)試車線運(yùn)行測試，利用車載充電機(jī)給電池系統(tǒng)充電，SOC由85.4%充至95%，正常。

（2）車輛段內(nèi)行運(yùn)行里程30km，消耗電量SOC下降12.3%，正常。

（3）測試過程熱管理機(jī)組啟停工作正常，電池系統(tǒng)未出現(xiàn)故障，正常。

（4）正線作業(yè)結(jié)束后，對電池系統(tǒng)SOC進(jìn)行滿充修正。當(dāng)單體電芯最高電壓達(dá)到充電截止電壓3.6V時，充電電流由64A逐漸降至0，此時的SOC為97.1%，未能修正為100%。

6.4 安全功能測試

接入上位機(jī)，通過模擬觸電池火災(zāi)報警信號，檢驗(yàn)各支路消防鋼瓶的電磁閥是否可靠動作，據(jù)此，測試消防系統(tǒng)作用的可靠性。

7 結(jié)語

經(jīng)過對磷酸鐵鋰電池電化學(xué)原理、生產(chǎn)工藝、安全測試以及系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)等維度全面分析，并經(jīng)過在深圳地鐵11號線裝車試驗(yàn)、運(yùn)行測試，投入運(yùn)用、驗(yàn)收。新能源電池應(yīng)用到城市軌道交通電力蓄電池機(jī)車上，安全性可控、實(shí)用性可行，具備在城軌交通機(jī)車上廣泛運(yùn)用。

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