劉海鵬

【摘 要】隨著軌道交通供電系統(tǒng)智能化和高度自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)急電源提出了更高的要求。磷酸鐵鋰電池在汽車(chē)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(duì)磷酸鐵鋰電池的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)述，與常規(guī)鉛酸電池的性能進(jìn)行對(duì)比、簡(jiǎn)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(duì)磷酸鐵鋰電池存在的問(wèn)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(chē)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(duì)于鉛酸電池的體積小、重量輕、能量密度高、密封好、無(wú)泄漏、無(wú)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(zhǎng)、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(gè)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(lái)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(kāi)，但鋰離子可以通過(guò)而電子不能通過(guò)，電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，為鋰離子運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)輸介質(zhì)。

LiFePO4電池在充電時(shí)，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(guò)度金屬氧化物的晶格中脫出，經(jīng)過(guò)液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過(guò)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(shí)，負(fù)極中的鋰離子從碳素材料層間脫出，經(jīng)過(guò)液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過(guò)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(lèi)嵌鋰材料，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充放電過(guò)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(huì)引起負(fù)極材料的層間距變化，不會(huì)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(shì)

（1）長(zhǎng)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(shí)率）使用，可達(dá)到2000次。由于蓄電池組長(zhǎng)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?zèng)_放電。在專(zhuān)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(dòng)電流可達(dá)2C，而鉛酸電池現(xiàn)在無(wú)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(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，而鋰材料無(wú)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(wú)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(wèn)題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強(qiáng)烈的碰撞下會(huì)產(chǎn)生爆炸對(duì)消費(fèi)者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全測(cè)試即使在最?lèi)毫拥那闆r下也不會(huì)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(chǔ)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(huì)比鉛酸電池的體積會(huì)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(wú)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(huì)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(wú)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(duì)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(jiàn)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(jì)，標(biāo)準(zhǔn)模塊由若干個(gè)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(gè)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(huì)比鉛酸電池大，這就導(dǎo)致電池組在充電后期個(gè)別電池的電壓迅速上升，加之軌道交通變電所長(zhǎng)期處于無(wú)人值守狀態(tài)，不容易及時(shí)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(shí)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(duì)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(jì)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(cè)量、高電壓預(yù)警管理、電池剩余容量估算、單體電池測(cè)量、電池溫度測(cè)量、系統(tǒng)時(shí)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(zhǎng)了使用壽命。

4 磷酸鐵鋰電池存在的問(wèn)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(huì)隨著溫度的降低而升高。

（2）磷酸鐵鋰價(jià)格雖然呈下降趨勢(shì)，但是仍然相對(duì)偏高。其價(jià)格是進(jìn)口鉛酸蓄電池對(duì)應(yīng)電池的3倍，是國(guó)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(gè)別工程中使用，還未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的、大量的實(shí)踐驗(yàn)證，可靠性有待檢驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

磷酸鐵鋰電池雖然一次性投入成本較高，但是通過(guò)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(wú)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(hào)線等線路的UPS系統(tǒng)、上海軌道交通車(chē)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。可以預(yù)見(jiàn)，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的不斷提升及價(jià)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。