李漢偉

（中鐵四院集團新型軌道交通設計研究有限公司，江蘇 蘇州 215009）

1 地鐵機電設備蓄電池容量及分布

1.1 機電設備系統(tǒng)

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

火災自動報警系統(tǒng)的報警控制器：一般內置蓄電池，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 機柜：容量一般為15kW，持續(xù)時間為1h。位于環(huán)控電控室。

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

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，一般裝機容量為80kW；信號集中站一般裝機容量為45kW，非集中站裝機容量為10kW。

1.3 動力照明

1.3.1 備用照明

《消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)技術標準》（GB 51309—2018）實施后，一般標準站配置2 臺EPS，放置在車站左右端照明配電室?？側萘考s為30kW，持續(xù)時間90min。蓄電池在EPS 機柜內落地安裝。

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。一般標準站為10 臺，每臺容量較小，約為1kVA，持續(xù)時間3h。蓄電池均在集中電源裝置內內置，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)供電時間，蓄電池容量約在15kW。

綜上所述，地鐵機電設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，易造成火災，將影響地鐵消防安全。此外，有必要對地鐵各專業(yè)蓄電池選用技術標準和采購進行統(tǒng)一，有利于備品備件、蓄電池售后及維護。

2 蓄電池分類及結構

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]：一類是采用超細玻璃棉（AGM）作隔板固定電池硫酸電解液技術的貧液式設計的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計的膠體蓄電池。

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

膠體(Gel)蓄電池由正極板、負極板、微孔塑料隔板、膠體電解質、安全閥和電池外殼等幾部分組成。在膠體蓄電池中，電解質是通過凝膠（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生的氧氣是通過膠體的裂紋通道到達負極實現(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能可逆的嵌入與脫嵌鋰離子的化合物，作為正負極構成的二次電池，俗稱“鋰電”。

鋰電池由正極（LiFePO4）、中間的電解質（LiPF6）、聚乙烯隔膜及負極碳組成。當對電池進行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經過電解液運動到負極。當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。鋰電池的檢測標準目前主要有《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

以下從電池結構、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)鉛酸電池結構差異

表2 膠體電池和常規(guī)鉛酸電池性能差異

通過以上結構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。三元動力型鋰電池循環(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 經濟效益和各地應用情況統(tǒng)計

4.1 經濟效益

根據(jù)測算，膠體電池比普通鉛酸電池的初裝造價會高出20%左右。但膠體電池在使用壽命、免維護、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，膠體電池的經濟效益整體要明顯優(yōu)于鉛酸電池。

目前鋰電池在價格上較鉛酸要貴，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急照明的集中電源有采用（容量較小，每個集中電源1kVA）。鋰電池目前在電動汽車、通信行業(yè)的通信基站、電力行業(yè)的儲能電站方面應用較多。

5 結論

地鐵機電設備系統(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、可靠性及安全性方面均明顯優(yōu)于普通鉛酸電池，且應用成熟，建議在地鐵機電系統(tǒng)蓄電池選用中可予以推廣應用。

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)模應用案例。在地鐵機電設備用房壓縮規(guī)?；騼?yōu)化用房面積時，可小范圍試點使用。

建議運營人員加強對蓄電池的維護和巡檢，確保蓄電池使用安全。必要時增設蓄電池安全健康預警管理系統(tǒng)等在線實時監(jiān)測措施。