吳 健 ，張言茹 ，鄭鑫杰

（1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044；2. 國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044）

近年來(lái)，智能化與節(jié)能化是軌道交通車(chē)輛發(fā)展的趨勢(shì)。車(chē)載設(shè)備的數(shù)量呈上升趨勢(shì)，采用新材料新裝備來(lái)降低列車(chē)總重與列車(chē)運(yùn)行能耗已成為目前研究的熱點(diǎn)。在軌道交通中加裝車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)或地面儲(chǔ)能系統(tǒng)可以充分利用列車(chē)再生制動(dòng)能量并可通過(guò)能量管理策略提高運(yùn)行效率，最終達(dá)到節(jié)能減排的目的[1]。利用車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主驅(qū)動(dòng)能源，既取消了影響城市景觀的架空供電線，還可大幅減少綜合建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本。

目前在車(chē)載儲(chǔ)能中常用的儲(chǔ)能元件有鋰離子電池和超級(jí)電容兩類。超級(jí)電容的主要優(yōu)點(diǎn)有充放電速度快，循環(huán)次數(shù)高于鋰離子電池，效率高、功率密度高，可承受溫度范圍寬，但其也有著不可忽略的缺點(diǎn)，即能量密度低，不適用于城際列車(chē)，且對(duì)于目前的超級(jí)電容研究進(jìn)展而言，短時(shí)間內(nèi)增大超級(jí)電容的能量密度難度過(guò)大。而鋰離子電池相對(duì)能量密度較高，且近兩年能量密度、溫度適應(yīng)性及安全性等性能不斷提升，逐漸應(yīng)用于城市軌道交通儲(chǔ)能中。鋰離子電池在城市軌道交通的主要應(yīng)用模式有[2]：①作為第二動(dòng)力牽引源，配合燃料電池或其他動(dòng)力源，調(diào)整電池出力從而提高供電效率，并且在制動(dòng)時(shí)回收制動(dòng)能量；②作為列車(chē)輔助電源使用；③作為有軌電車(chē)車(chē)載儲(chǔ)能，無(wú)需牽引供電網(wǎng)，減少建設(shè)成本，提高城市美觀；④作為備用電池用于地鐵自牽引，在車(chē)輛供電故障時(shí)將車(chē)牽引至站點(diǎn)疏散乘客；⑤在地面儲(chǔ)能中解決變電站容量不足問(wèn)題。

目前，已經(jīng)有部分城市軌道車(chē)輛或城際車(chē)輛應(yīng)用鋰離子電池作為車(chē)載儲(chǔ)能。2017年日本EV-E801系列車(chē)車(chē)載360 kWh鋰離子電池，可在交流電氣化區(qū)間和非電氣化區(qū)間運(yùn)行。2018年，Alstom公司推出了新一代有軌電車(chē) Citadis X05，其特別之處在于安裝了Alstom的SRS充電系統(tǒng)和Citadis Ecopack能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，新的充電和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)使得有軌電車(chē)可以在無(wú)接觸網(wǎng)條件下運(yùn)行。Siemens公司開(kāi)發(fā)了 Sitras HES技術(shù)，并將其用于Combino Plus有軌電車(chē)，Sitras HES混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由超級(jí)電容器和蓄電池組成，在牽引工況下，車(chē)輛由架空線供電，在制動(dòng)工況下，再生的電能有1/3反饋到架空線，1/3被儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收，1/3用于車(chē)上的輔助設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)30%的節(jié)能。在中國(guó)，2016年11月，以鋰離子電池動(dòng)力包為牽引動(dòng)力的空中懸掛式軌道列車(chē)在成都正式掛線運(yùn)行；2018年 InnoTrans展會(huì)上，中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司發(fā)布了新一代碳纖維車(chē)體地鐵車(chē)輛“CETROVO”，將動(dòng)力蓄電池技術(shù)應(yīng)用于該地鐵列車(chē)，動(dòng)力電池在兼顧制動(dòng)能量回收的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸網(wǎng)供電下的自牽引及輔助系統(tǒng)供電等功能。電池系統(tǒng)采用鈦酸鋰電池，整車(chē)配置電量75 kWh，可為車(chē)輛提供牽引動(dòng)力行駛15 km[3]。

針對(duì)目前軌道交通中主流的鈦酸鋰電池儲(chǔ)能，筆者從鈦酸鋰電池的發(fā)展、鈦酸鋰電池的主要性能特點(diǎn)探討鈦酸鋰在軌道交通車(chē)輛的適用性問(wèn)題，并指出目前成組方面鋰離子電池主要應(yīng)用模式和相對(duì)于其他儲(chǔ)能元件的特殊性，最后分析了鈦酸鋰電池應(yīng)用于軌道交通中亟需解決或關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)。

1 鈦酸鋰電池的發(fā)展

鋰離子電池是指將鋰離子嵌入化合物作為正、負(fù)極的二次電池。隨著國(guó)家節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略的推進(jìn)，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)。大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)發(fā)展使鋰離子電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命等性能指標(biāo)不斷提升，同時(shí)也促進(jìn)了新型電池的研究和發(fā)展。

1.1 鋰離子電池種類

鋰離子電池種類較多，根據(jù)所用電解質(zhì)分類，鋰離子電池可以分為液體鋰離子電池(通常所說(shuō)的鋰離子電池)、聚合物電解質(zhì)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池[4]。目前廣泛使用的是液體電解液電池，固態(tài)鋰離子電池由于較高的安全性和能量密度成為研究的熱點(diǎn)，但是目前還未能商業(yè)化量產(chǎn)；根據(jù)形狀不同，鋰離子電池可以分為圓柱形電池、方形電池和軟包電池；根據(jù)電池正極材料分類，常見(jiàn)的電池包括鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元電池(鎳鈷錳或鎳鈷鋁)等；還可以根據(jù)所采用的負(fù)極材料分類，如石墨負(fù)極電池、鈦酸鋰電池、硅碳負(fù)極電池等。目前商用化比較廣泛的電池主要有磷酸鐵鋰體系、鎳鈷錳三元電池體系和鈦酸鋰電池體系，其中三元電池和磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用比較廣泛，鈦酸鋰電池由于目前成本較高且能量密度低，在電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用較少，但憑借高安全性和長(zhǎng)壽命受到軌道交通行業(yè)的青睞。

1.2 鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu)

鋰離子電池負(fù)極材料多采用嵌鋰碳材料，但是石墨電極的電位與金屬鋰的電位很接近。當(dāng)電池過(guò)充電時(shí)，碳電極表面易析出金屬鋰，會(huì)形成枝晶，鋰離子在反復(fù)地嵌入和脫出過(guò)程中，會(huì)使碳材料結(jié)構(gòu)受到破壞[5]。

鈦酸鋰電池體系的正極采用鈷酸鋰、錳酸鋰或三元材料，負(fù)極采用鈦酸鋰材料。與碳材料相比，鈦酸鋰相對(duì)于Li的電極電位高(為1.55 V)，其電化學(xué)穩(wěn)定性和安全性更好。同時(shí)，鈦酸鋰電池具有尖晶石結(jié)構(gòu)，形成了其特有的三維鋰離子擴(kuò)散通道。圖1展示了鈦酸鋰晶體結(jié)構(gòu)，在鋰離子的鑲嵌及脫嵌過(guò)程中，晶體結(jié)構(gòu)可以保持高度的穩(wěn)定性，即晶格常數(shù)變化很小。鈦酸鋰具有十分平坦的充放電平臺(tái)，即充放電循環(huán)過(guò)程中，體積變化可以忽略不計(jì)，因此鈦酸鋰是一種“零應(yīng)變”電極材料[6-7]。

圖1 鈦酸鋰晶體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic of lithium titanate crystal structure

綜合以上材料特征，鈦酸鋰具有以下獨(dú)特的優(yōu)越：①在鋰離子嵌入-脫出的過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)能夠保持高度的穩(wěn)定性，使其具有優(yōu)良的循環(huán)性能；②在低溫下減少析鋰風(fēng)險(xiǎn)，一方面能夠在低溫下大電流充電，另一方面具有高安全性；③特有的三維通道使鈦酸鋰電池具有較好的倍率特性，可適用于大功率快速充放電場(chǎng)合。

1.3 主要生產(chǎn)廠家及技術(shù)特點(diǎn)

國(guó)外比較知名的鈦酸鋰電池廠商有日本東芝和美國(guó)奧鈦。中國(guó)可量產(chǎn)鈦酸鋰電池的廠家主要有中信國(guó)安盟固利動(dòng)力科技有限公司、湖州微宏動(dòng)力系統(tǒng)有限公司、珠海銀隆新能源有限公司、四川國(guó)創(chuàng)成新能源有限公司等[8]。

日本東芝集團(tuán)早在 2007年就生產(chǎn)出以鈦酸鋰作為電池負(fù)極的鋰離子電池，如圖2所示，稱其為超級(jí)充電離子電池(super charge ion battery，SCiB)，并且該電池能用僅僅5 min時(shí)間充滿90%的能量。而日本東芝集團(tuán)作為開(kāi)發(fā)鈦酸鋰電池最早的企業(yè)之一，目前集團(tuán)旗下最新的 SCiBTMSIP系列鈦酸鋰電池在安全性、充電速度、循環(huán)壽命、低溫性能以及放電深度等方面都有不俗的表現(xiàn)。

圖2 東芝鈦酸鋰電池Figure 2 Lithium titanate battery of Toshiba

在中國(guó)廠商中，中信國(guó)安盟固利動(dòng)力科技有限公司目前鈦酸鋰電池的產(chǎn)品規(guī)格較多，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合有較多選擇，該公司能量功率型25 Ah的鈦酸鋰電芯產(chǎn)品(如圖 3所示)裝載于青海德令哈有軌電車(chē)，是目前海拔最高的有軌電車(chē)路線。微宏的主要產(chǎn)品由第一代LpT發(fā)展到第二代LpCO快速充電電池，10 min內(nèi)可完成快速充電。中國(guó)另一家鈦酸鋰電池廠商是2010年收購(gòu)了當(dāng)時(shí)擁有先進(jìn)技術(shù)的美國(guó)奧鈦公司51%股份的珠海銀隆新能源有限公司，在吸收消化奧鈦公司的先進(jìn)技術(shù)之后，珠海銀隆公司開(kāi)始投產(chǎn)鈦酸鋰電池(如圖4所示)，銀隆將鈦酸鋰電池應(yīng)用于新型純電動(dòng)公交車(chē)，解決公交車(chē)快充問(wèn)題。四川國(guó)創(chuàng)成也專注于鈦酸鋰電池的研發(fā)與生產(chǎn)，完成的新能源礦車(chē)DF45E在復(fù)雜礦區(qū)工作，實(shí)現(xiàn)了50%～70%的節(jié)油率。

圖3 盟固利25Ah鈦酸鋰電池Figure 3 25 Ah lithium titanate battery of MGL

圖4 銀隆鈦酸鋰電池Figure 4 Lithium titanate battery of Yinlong

1.4 鈦酸鋰電池在軌道交通中的應(yīng)用

在 2018 年柏林軌道交通技術(shù)展覽會(huì)上，中國(guó)中車(chē)展出的新型混合動(dòng)力調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)和新一代碳纖維地鐵均將鈦酸鋰電池應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)，這標(biāo)志著鈦酸鋰電池技術(shù)已成為軌道交通的新趨勢(shì)。隨著車(chē)輛步入綠色智能的新時(shí)代，鈦酸鋰電池將會(huì)在調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)、高鐵、有軌電車(chē)、地鐵和廠礦自備車(chē)上獲得更加廣泛的應(yīng)用。

1) 國(guó)鐵調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)。鈦酸鋰電池可作為動(dòng)力電源應(yīng)用在調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)上。既有的國(guó)鐵調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)普遍存在柴油機(jī)空載油耗高、能源浪費(fèi)嚴(yán)重、廢氣排放量大及噪聲污染嚴(yán)重等共性問(wèn)題。目前中國(guó)中車(chē)已開(kāi)始研制3 000馬力(1馬力=0.74 kW)節(jié)能環(huán)保型調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)采用“鈦酸鋰電池+柴油機(jī)”作為動(dòng)力系統(tǒng)，以電池作為主動(dòng)力源，柴油機(jī)輔助充電。該車(chē)型在綠色環(huán)保、節(jié)能、減排、降噪等方面更具優(yōu)勢(shì)，對(duì)當(dāng)前中國(guó)鐵路調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)技術(shù)升級(jí)、更新?lián)Q代具有重要意義。

2) 高鐵。鈦酸鋰電池可作為輔助電源，保障高鐵的運(yùn)營(yíng)安全，也可作為備用動(dòng)力電源，實(shí)現(xiàn)無(wú)網(wǎng)自走行功能。目前350 km/h標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車(chē)組已使用高安全性的鈦酸鋰電池替代鎘鎳電池作為輔助電源，如京張高鐵采用鈦酸鋰電池作為備用動(dòng)力電源，可無(wú)網(wǎng)自走行20 km，為冬奧會(huì)的順利舉辦增加了一份保障。

3) 有軌電車(chē)。鈦酸鋰電池可作為動(dòng)力電源應(yīng)用在有軌電車(chē)上，目前有軌電車(chē)的供電模式分有網(wǎng)和無(wú)網(wǎng)兩種。目前在研的常州有軌電車(chē)TI線就選用了鈦酸鋰電池方案，單程12.7 km，僅需在首末站充電4 min即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。

4) 地鐵。昆明地鐵 5 號(hào)線車(chē)輛輔助電源系統(tǒng)選用鈦酸鋰電池，每列車(chē)的輔助電源配置兩組蓄電池組，并聯(lián)為110 V 輔助負(fù)載提供應(yīng)急電源。列車(chē)在無(wú)網(wǎng)壓時(shí)，輔助蓄電池組系統(tǒng)的容量應(yīng)能夠供給列車(chē)內(nèi)部應(yīng)急照明、應(yīng)急通風(fēng)、應(yīng)急顯示、維修用電、通信及其控制等應(yīng)急輔助負(fù)載工作 45 min，并保證列車(chē)開(kāi)/關(guān)一次車(chē)門(mén)；同時(shí)也需滿足車(chē)輛在基地內(nèi)自牽引2 km的功能要求(僅保證基本的DC 110 V負(fù)載工作，此時(shí)輔助蓄電池系統(tǒng)AC 380 V輸出)。

5) 廠礦自備車(chē)。鈦酸鋰電池可作為動(dòng)力電源，應(yīng)用在機(jī)車(chē)、工程車(chē)和公鐵兩用車(chē)上。與柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，鋰電池驅(qū)動(dòng)的新能源車(chē)不僅實(shí)現(xiàn)零排放，滿足國(guó)家日趨嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，而且能夠降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(耗能成本低/免柴油機(jī)養(yǎng)護(hù)/免油庫(kù)維護(hù))，全壽命周期成本更低。與電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)相比，不僅大幅節(jié)省建設(shè)費(fèi)用，而且不受隧道等特殊路況限制，具有更好的適應(yīng)性。在“綠水青山”和“最后一公里”等政策的推動(dòng)下，廠礦企業(yè)對(duì)綠色環(huán)保的新能源車(chē)的需求將不斷加大。

2 鈦酸鋰電池性能特點(diǎn)

由于城軌列車(chē)具有無(wú)污染、客運(yùn)量大、速度快、啟停頻率高等特點(diǎn)，因此城軌列車(chē)的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)需具有以下特點(diǎn)：①較高的能量密度；②較高的功率密度；③自放電率?。虎苎h(huán)壽命長(zhǎng)；⑤造價(jià)低廉；⑥安全可靠；⑦充放電效率高[9]。

傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳鎘電池成本較低、安全性較好，同時(shí)技術(shù)比較成熟，被大量應(yīng)用于軌道交通的輔助供電系統(tǒng)中，但這兩類電池能量密度很低，且含有重金屬元素，正被逐漸取代。鎳氫電池每項(xiàng)性能都處于中等水平，但自放電率太高，不適合用作大容量?jī)?chǔ)能元件。鋰電池是新興高性能電池的代表，其能量密度、充放電壽命、自放電率都要優(yōu)于傳統(tǒng)電池。在各種不同類型的鋰電池中，三元、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰電池比較具有代表性，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各種鋰電池關(guān)鍵性能參數(shù)比對(duì)Table 1 Comparison of key performance parameters of various lithium ion batteries

綜合所有指標(biāo)來(lái)看，鈦酸鋰電池?zé)o論是循環(huán)壽命、充放電倍率以及安全性都有著較大的優(yōu)勢(shì)。因此，鈦酸鋰電池更加適合作為城市軌道交通的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，鈦酸鋰電池的優(yōu)點(diǎn)可以概括為以下4個(gè)部分[10]。

1) 安全穩(wěn)定性好。鈦酸鋰負(fù)極材料嵌鋰電位高，在充電的過(guò)程中可以消除析鋰對(duì)其產(chǎn)生的影響，并且鈦酸鋰的平衡電位要高于大多數(shù)電解質(zhì)溶劑的還原電位，因此避免了和電解液之間發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)形成SEI膜，同時(shí)避免了許多副反應(yīng)，因此很大程度上提升了鈦酸鋰電池的安全性。安全穩(wěn)定性也是軌道交通中最為重要的指標(biāo)。

2) 快充性能優(yōu)異。充電性能也一直是用戶特別關(guān)注的發(fā)展方向，太長(zhǎng)的充電時(shí)間是阻礙電池發(fā)展的關(guān)鍵因素。對(duì)于相同容量的鋰電池，鈦酸鋰電池的充電性能要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鋰電池，如圖5所示，8C倍率仍可充入電量80%以上，該性能可滿足車(chē)載儲(chǔ)能站內(nèi)快速補(bǔ)電的需求，假設(shè)在首末站以 8C倍率充電，可實(shí)現(xiàn)4.5 min充電60%。

圖5 鈦酸鋰電池不同倍率充電Figure 5 Different rate charging curves of lithium titanate battery

3) 循環(huán)壽命長(zhǎng)。與采用的石墨作為負(fù)極材料的鋰電池相比，鈦酸鋰材料在充放電嵌脫鋰過(guò)程中，骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生收縮或膨脹，被稱為“零應(yīng)變”材料，避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時(shí)晶胞體積應(yīng)變而造成的電極結(jié)構(gòu)損壞的問(wèn)題，因而具有非常優(yōu)異的循環(huán)性能[11]。目前鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命超過(guò)10 000次，如圖6所示，適用于作為動(dòng)力源時(shí)頻繁充放電的工況。

圖6 鈦酸鋰電池循環(huán)壽命Figure 6 Cycle life of lithium titanate battery

4) 耐寬溫性能良好。普通的鋰離子電池在溫度低于–10℃時(shí)，充放電性能就會(huì)受到影響，尤其是石墨負(fù)極電池在低溫充電時(shí)易產(chǎn)生析鋰從而引發(fā)電池安全問(wèn)題。而鈦酸鋰電池對(duì)于溫度的適應(yīng)性強(qiáng)，在–40℃到70℃均可正常充放電，具有較好的耐寬溫性能[12-13]，可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大多數(shù)區(qū)域。

3 鈦酸鋰電池成組技術(shù)

為了達(dá)到一定的電壓、功率和能量等級(jí)，軌道交通用鋰離子電池系統(tǒng)都是由電池單體通過(guò)串、并聯(lián)的方式組成電池模塊，再由電池模塊最終組成車(chē)輛的動(dòng)力電池系統(tǒng)[14]。串聯(lián)是為了提高工作電壓，并聯(lián)是為了增加輸出電流來(lái)獲得更高的容量，無(wú)論是串聯(lián)還是并聯(lián)，鋰電池組的輸出功率都增加。使用串并聯(lián)結(jié)合的方法可以達(dá)到高電壓高容量標(biāo)準(zhǔn)，滿足軌道交通儲(chǔ)能需求。

3.1 主要成組方式

1) 先并后串電池組拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)涫紫葘㈦姵剡M(jìn)行并聯(lián)，達(dá)到一定容量后，再將并聯(lián)電池組作為單體電池串聯(lián)，從而達(dá)到一定的電壓等級(jí)，如圖7(a)所示。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是成組簡(jiǎn)單，能解決單體容量不足的問(wèn)題[15-16]，成組工藝與單體直接串聯(lián)相近，因此目前廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。但是，軌道交通大容量的應(yīng)用特點(diǎn)，并聯(lián)數(shù)量過(guò)多時(shí)會(huì)因電流過(guò)大造成成組困難。

2) 先串后并電池組拓?fù)?。先串后并拓?fù)淠壳爸饕獞?yīng)用在大容量?jī)?chǔ)能領(lǐng)域，如圖7(b)所示。當(dāng)電池并聯(lián)數(shù)量過(guò)多時(shí)，電池的連接母排，線束都要考慮大電流帶來(lái)的發(fā)熱及損耗問(wèn)題從而增加了成組難度，因此部分場(chǎng)景通常采用先串后并的方式解決此問(wèn)題。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)為多組并聯(lián)，提高了供電的冗余可靠性；但是由于每簇均需要電池管理系統(tǒng)單獨(dú)控制，因此增加了電池包的成本，另外，多簇電池在壓差較大時(shí)無(wú)法直接并聯(lián)，因此增加了電池簇投切的控制難度。

圖7 鋰離子電池主要成組方式Figure 7 Main grouping methods of lithium ion batteries

3.2 電池管理技術(shù)

與鉛酸電池與鎳鎘電池相比，鋰離子電池本身抗濫用能力偏差，在過(guò)充過(guò)放后會(huì)極大縮短電池的使用壽命，引起性能的極度劣化。在極端情況下，鋰離子電池在短路、過(guò)充、過(guò)放、高溫等條件下極易引起熱失控的發(fā)生，因此鋰離子電池通常需要加裝電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)和充放電控制。即使是安全性高的鈦酸鋰電池，通常也會(huì)通過(guò)電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全充放電和高效能量利用[17]。

電池管理系統(tǒng)主要功能如圖8所示，一方面保證電池的安全、合理使用，防止電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫等情況；另一方面，需要通過(guò)電池管理系統(tǒng)采集電池單體電壓、溫度、總電流和總電壓等數(shù)據(jù)，對(duì)電池的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)SOX的估算，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)充放電功率的管理。在系統(tǒng)功能方面，電池管理系統(tǒng)還應(yīng)具備對(duì)電池故障的實(shí)時(shí)分析能力，對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)警和報(bào)警，并上報(bào)故障位置。同時(shí)電池管理系統(tǒng)與整車(chē)或上一級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)接收整車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，并上傳電池狀態(tài)數(shù)據(jù)[18]。

圖8 電池管理系統(tǒng)的主要功能Figure 8 Main functions of battery management systems

鈦酸鋰電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的精細(xì)化管理，避免了將串并聯(lián)后的電池組看作一只“大電池”進(jìn)行識(shí)別，降低了電池組濫用和不合理使用的概率。并且，通過(guò)監(jiān)控單體電池，電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整組電池的狀態(tài)估算，完成對(duì)電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，并將具體信息通過(guò) MVB或以太網(wǎng)等通信方式傳輸?shù)秸?chē)或 TCU，更有助于整車(chē)對(duì)電池系統(tǒng)的能量控制，延長(zhǎng)電池使用壽命，提高能量利用率。作為電化學(xué)儲(chǔ)能單元，電池組單體的不一致性、電池衰退的隨機(jī)性和不確定性必然存在，單體電壓的采集更有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組一致性評(píng)價(jià)和針對(duì)長(zhǎng)壽命特點(diǎn)的全生命周期健康管理。

4 當(dāng)前研究熱點(diǎn)及展望

目前，鈦酸鋰電池因長(zhǎng)壽命、高安全性、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為城市軌道交通儲(chǔ)能的選擇之一，但隨著鈦酸鋰電池在城市軌道交通中的廣泛應(yīng)用，電池壽命、全壽命周期健康管理及經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

4.1 鈦酸鋰電池壽命評(píng)估問(wèn)題

鈦酸鋰電池具有長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，但是在電池組設(shè)計(jì)階段及運(yùn)行階段，需要對(duì)電池的壽命進(jìn)行評(píng)估及預(yù)測(cè)，同時(shí)需要搭建壽命模型用于全生命周期的健康管理及能量管理[19-20]。

鈦酸鋰電池作為一種電化學(xué)元件，其衰退軌跡依賴?yán)匣窂剑催\(yùn)行中的使用工況。在電池組設(shè)計(jì)初期，通常需要對(duì)電池進(jìn)行壽命測(cè)試，從而評(píng)估電池壽命問(wèn)題。但是，一方面鈦酸鋰電池壽命較長(zhǎng)，循環(huán)測(cè)試的時(shí)間成本過(guò)高；另一方面，由于使用工況不同，通常無(wú)法大批量測(cè)試各種工況條件下的衰退情況從而進(jìn)行壽命評(píng)估。

因此，目前亟需電池壽命快速測(cè)試方法，在短期少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，獲取耦合工況下電池的衰退特征。目前，主流的方法是通過(guò)加速應(yīng)力測(cè)試，加速電池老化過(guò)程，從而減少測(cè)試時(shí)間，但是此加速應(yīng)力下電池的老化機(jī)理和常規(guī)衰退時(shí)不同，因此通常壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較低。因此，目前部分學(xué)者采用單應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，實(shí)現(xiàn)短時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間壽命[21-22]。

4.2 車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化匹配及高效能量管理研究

為滿足軌道交通車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)低成本、輕量化、高效能、智能化的需求，車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化匹配及高效能量管理技術(shù)是需要攻克的關(guān)鍵問(wèn)題。主要包括構(gòu)建城軌列車(chē)典型工況、搭建城軌列車(chē)全數(shù)字仿真平臺(tái)、研究全壽命周期成本最小匹配方法以及高效能量管理技術(shù)4個(gè)方面[23-24]。其中，分析城軌列車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)以及運(yùn)行需求是優(yōu)化車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)配置參數(shù)及高效能量管理的前提。而典型工況可以涵蓋城軌列車(chē)的特征，對(duì)其進(jìn)行深入研究將有利于設(shè)計(jì)出低壽命成本以及高性能的城軌列車(chē)，同時(shí)也為車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的測(cè)試提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

城軌列車(chē)全數(shù)字仿真是研究車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化匹配及高效能量管理的模擬平臺(tái)。準(zhǔn)確且快速的數(shù)字化模型，將會(huì)大大縮短城軌列車(chē)的研制周期，減少開(kāi)發(fā)成本，規(guī)避各類故障。同時(shí)，數(shù)字化仿真平臺(tái)將能快速地計(jì)算出各種性能指標(biāo)參數(shù)，為進(jìn)一步的參數(shù)匹配及能量管理研究提供計(jì)算平臺(tái)[25-26]。

車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化匹配以及高效能量管理技術(shù)是研發(fā)城軌列車(chē)的核心。不合理的匹配將會(huì)造成城軌列車(chē)全壽命周期成本的增加、各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)的下降、能源利用率的下降以及車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的縮短。然而，目前針對(duì)城軌列車(chē)的匹配方法和能量管理還欠缺一套完整的設(shè)計(jì)體系。因此，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)一步的研究將有利于城軌列車(chē)低成本、高效能以及智能化的推進(jìn)。

4.3 基于離線/在線的全壽命周期電池?cái)?shù)據(jù)分析

軌道交通應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能元件在嚴(yán)苛環(huán)境下的高效性、安全性有著較高的要求，因此在儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)控和管理方面需要高冗余度和高可靠性。并且，鈦酸鋰電池具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，其壽命的評(píng)估需要以月甚至以年為周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，短時(shí)的評(píng)估和預(yù)警通常無(wú)法正確描述電池的實(shí)際健康狀態(tài)，這就需要管理系統(tǒng)儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行大量運(yùn)算[27]，但受制于成本、體積等要求，在線管理系統(tǒng)很難滿足儲(chǔ)能元件準(zhǔn)確評(píng)估的需求，因此，建立數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，依托在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和大量離線歷史數(shù)據(jù)的計(jì)算來(lái)彌補(bǔ)在線管理系統(tǒng)的不足，是鈦酸鋰電池系統(tǒng)不可缺少的一部分。

鈦酸鋰電池?cái)?shù)據(jù)分析的目標(biāo)是利用海量歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)原始數(shù)據(jù)深入挖掘內(nèi)在的電池特性，對(duì)電池的性能、壽命和安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電池“定期維護(hù)”轉(zhuǎn)為“狀態(tài)維護(hù)”，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池的故障診斷和安全預(yù)警，為電池健康管理、異常管理和智能保護(hù)控制提供決策依據(jù)，提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率[28]。電池?cái)?shù)據(jù)分析的主要作用概括為以下幾個(gè)方面。

1) 電池參數(shù)監(jiān)測(cè)與 SOC、SOP估計(jì)修正。由于鈦酸鋰電池通常需要大功率充放電，因此對(duì)電池系統(tǒng)的SOC和SOP的估算尤其重要?；诠r運(yùn)行數(shù)據(jù)或充電數(shù)據(jù)，更新電池模型參數(shù)，可以對(duì)電池SOC、SOP進(jìn)行定期修正，提高全壽命周期電池SOC和SOP的估計(jì)精度和魯棒性。

2) 電池健康狀態(tài)評(píng)估及預(yù)測(cè)。在城市軌道交通應(yīng)用中，鈦酸鋰電池系統(tǒng)通常要確保8年甚至于8年以上壽命，后臺(tái)數(shù)據(jù)的分析可用于量化評(píng)估電池的老化狀態(tài)，包括電池的老化模式及老化程度，并對(duì)后續(xù)電池壽命健康程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為電池耐久性優(yōu)化管理和維修維護(hù)提供決策依據(jù)。

3) 電池組一致性判斷與約束性電池識(shí)別。基于電池充電曲線，利用曲線相似性、OCV-SOC對(duì)應(yīng)關(guān)系等方法，可以對(duì)電池組容量、SOC、內(nèi)阻一致性進(jìn)行評(píng)估，確定電池組一致性，為檢測(cè)和維護(hù)提供決策依據(jù)?；跉v史數(shù)據(jù)，采用離群點(diǎn)檢測(cè)等方法，可以確定劣化嚴(yán)重的電池單體，并給出電池劣化原因，為電池檢修和更換提供依據(jù)。

4) 電池系統(tǒng)故障診斷與安全告警。通過(guò)在線檢測(cè)鋰離子動(dòng)力電池的充放電電流、單體電壓、電池組總電壓及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池可能存在的故障進(jìn)行判斷，給出相應(yīng)的處理措施，避免其發(fā)生嚴(yán)重故障和事故[29-30]。

5 總結(jié)

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷成熟和中國(guó)節(jié)能環(huán)保的戰(zhàn)略需求，鈦酸鋰電池憑借其高能量密度(相比于超級(jí)電容)、大倍率性能、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高安全性等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)逐步在軌道交通車(chē)輛中推廣應(yīng)用。筆者綜述了鈦酸鋰電池的發(fā)展、性能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景，著重分析了鈦酸鋰電池在軌道交通中的適用性；從成組方式和電池管理系統(tǒng)兩個(gè)層面闡述了鈦酸鋰電池成組過(guò)程中的應(yīng)用特點(diǎn)；最后，面向鈦酸鋰電池的壽命評(píng)估、車(chē)載儲(chǔ)能的優(yōu)化匹配及高效能量管理、基于離線/在線的全壽命周期電池?cái)?shù)據(jù)分析方法，提出了對(duì)未來(lái)研究方向的展望。