代 偉，張 斌，陳 林

（1. 北京市地鐵運(yùn)營有限公司，北京 100044；2. 北京市地鐵運(yùn)營有限公司供電分公司，北京 100044）

目前，閥控式鉛酸蓄電池憑借成熟的技術(shù)和豐富的規(guī)格，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通后備電源領(lǐng)域[1]。以北京地鐵8號線為例，UPS和直流屏改造前所使用的蓄電池均為閥控式鉛酸蓄電池，型號主要有500Ah/2V、120Ah/12V、128V/12V、54Ah/12V、90Ah/12V。按蓄電池組參考使用年限5年估算，每年有大量蓄電池需要進(jìn)行更新改造，廢舊蓄電池的報(bào)廢處理，新蓄電池的重新安裝，以及現(xiàn)狀蓄電池的維護(hù)都需要投入巨大的人力物力。隨著中國蓄電池行業(yè)的快速發(fā)展，可供選擇的蓄電池種類越來越多，城市軌道交通行業(yè)有必要尋找在使用壽命、占地面積、智能管理以及運(yùn)營維護(hù)等方面性能更加優(yōu)秀的蓄電池種類[2]。

近年來，隨著清潔低碳能源的深入推進(jìn)，各種新型儲(chǔ)能電池不斷涌現(xiàn)[3]。在眾多類型儲(chǔ)能電池中，鋰離子電池因具有能量密度高、使用壽命長、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，近年來發(fā)展迅速，主要應(yīng)用在大型儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、通信備電等領(lǐng)域。

當(dāng)前市場比較成熟的鋰離子電池主要包括磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、鈦酸鋰電池等，各類鋰離子電池性能參數(shù)對比情況見表1。鈷酸鋰電池具有高比容量，但安全性最差[4]，且成本高，壽命相對較短；錳酸鋰電池成本低，但其材料本身不太穩(wěn)定，容易分解產(chǎn)生氣體，且高溫性能較差，電池溫度不能超過80℃，其循環(huán)壽命衰減較快、壽命相對較短；三元鋰電池(鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰)比容量高，但其防起火安全性和高成本方面存在較大的負(fù)面影響；磷酸鐵鋰電池的比容量低，但其安全性能優(yōu)異，即使在高溫下仍可保持較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得磷酸鐵鋰電池安全可靠，甚至在電池出現(xiàn)變形損壞時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)冒煙、起火等安全事故，另外，磷酸鐵鋰原料資源較為豐富，極大地降低了材料及電池的使用成本；鈦酸鋰電池具有高安全、長壽命、耐溫寬等特點(diǎn)，但鈦酸鋰電池成本偏高，而且比容量也比其他鋰離子電池低，這些缺點(diǎn)限制了鈦酸鋰電池的廣泛應(yīng)用。

表1 各類鋰離子電池性能對比Table 1 Comparison of Li-ion battery performance

與汽車用動(dòng)力電池類似，城市軌道交通后備電源系統(tǒng)對蓄電池也具有較高的要求，尤其在使用壽命、安全性及成本方面要求更高[5]。就城市軌道交通領(lǐng)域備電要求而言，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境，磷酸鐵鋰電池是最好的選擇。

1 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池的應(yīng)用對比

1.1 性能對比

磷酸鐵鋰電池與閥控式鉛酸蓄電池的各項(xiàng)性能對比見表2，從表2可以看出，磷酸鐵鋰電池在能量密度、使用壽命、充放電效率、大電流放電、環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)保等方面，都明顯優(yōu)于閥控式鉛酸蓄電池。

表2 磷酸鐵鋰電池和閥控式鉛酸蓄電池性能對比Table 2 Performance comparison of lithium iron phosphate battery and valve-controlled lead-acid battery

1.2 占地面積和重量對比

以北京地鐵8號線二期車站整合UPS為例，使用上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的主備2套型號為ES384V500Ah的高安全浮充式防火型磷酸鐵鋰電池組替換原有2組192只500Ah/2V閥控式鉛酸蓄電池，其安裝方式、安裝尺寸和重量對比見表3。通過對比可以看出，磷酸鐵鋰電池占地面積是鉛酸蓄電池的67%，重量是鉛酸蓄電池的34%。鉛酸蓄電池占地面積過大、重量太重等問題，嚴(yán)重影響了日后電源系統(tǒng)的擴(kuò)容改造，同時(shí)日常維護(hù)更換也十分不方便。

表3 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池尺寸和重量對比Table 3 Comparison of dimensions and weight of lithium iron phosphate and lead acid batteries

1.3 結(jié)構(gòu)對比

閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池安裝情況如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出，相比于閥控式鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池組結(jié)構(gòu)集成度更高，整體電流穩(wěn)定性更好，降低了多組電池外部接線級聯(lián)安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)4U電池模塊，提高了機(jī)房空間的利用率和整體美觀度。

圖1 閥控式鉛酸蓄電池安裝情況 Figure 1 Installation of valve-controlled lead-acid batteries

圖2 磷酸鐵鋰蓄電池組安裝情況 Figure 2 Installation of lithium iron phosphate batteries

1.4 智能化管理對比

鉛酸蓄電池在目前使用過程中很少配置電池管理系統(tǒng)，即使配置了電池管理系統(tǒng)通常也是由第三方企業(yè)開發(fā)，不同廠家的電池和電池管理系統(tǒng)可能存在不兼容情況。磷酸鐵鋰電池應(yīng)用時(shí)均會(huì)配置電池管理系統(tǒng)，通過智能化的電池管理系統(tǒng)，不僅可以對當(dāng)前電池狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，還可以根據(jù)長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對電池健康狀態(tài)、劣化程度進(jìn)行判斷，解決了鉛酸電池使用時(shí)需人工對每只電池進(jìn)行巡檢的問題。

1.5 運(yùn)維對比

表4為磷酸鐵鋰電池和閥控式鉛酸蓄電池維護(hù)內(nèi)容和維護(hù)周期對比表。從表4可以看出，鉛酸電池由于沒有入網(wǎng)，為了能掌握電池性能，常規(guī)辦法就是現(xiàn)場測量，但是測量效率很低。磷酸鐵鋰電池通過聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、可視化監(jiān)控，不僅對當(dāng)前電池狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，還可以根據(jù)長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對電池健康狀態(tài)、劣化程度進(jìn)行判斷，后期維護(hù)工作要明顯少于閥控式鉛酸蓄電池。

表4 磷酸鐵鋰電池和閥控式鉛酸蓄電池運(yùn)維對比Table 4 Comparison of operation and maintenance of lithium iron phosphate battery and valve-controlled lead-acid battery

2 城市軌道交通磷酸鐵鋰電池的安全性分析

由于城市軌道交通具有建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、客流集中、空間相對密閉、人員疏散困難等特點(diǎn)，相比于其他火災(zāi)，城市軌道交通火災(zāi)一旦發(fā)生，會(huì)對人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[6]。因此，在磷酸鐵鋰電池大規(guī)模應(yīng)用過程中，電池的安全性能至關(guān)重要，必須結(jié)合應(yīng)用的工況特點(diǎn)和要求對磷酸鐵鋰電池的火災(zāi)特性進(jìn)行深入研究。

原則上，磷酸鐵鋰電池在正常使用條件下是安全的，人們更加關(guān)注在誤用或者濫用條件下的安全問題。從根本上來說，磷酸鐵鋰電池最終表現(xiàn)出來的安全事故都是伴隨著內(nèi)、外部短路，溫度急劇升高甚至發(fā)生起火、爆炸，即電池?zé)崾Э亍Ｒ虼?，要?shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池的安全應(yīng)用，對各種因素引起熱失控的防控是關(guān)鍵。

2.1 電芯失效

電芯安全性失效主要有以下幾點(diǎn)。

2.1.1 內(nèi)部短路

電芯內(nèi)短路的誘因有機(jī)械濫用、生產(chǎn)缺陷和鋰枝晶生長，前兩種因素只要保證電池的生產(chǎn)品質(zhì)和電池的規(guī)范使用即可避免，而鋰枝晶的生長卻無法通過上述方法排除。液態(tài)電解質(zhì)的電芯進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，當(dāng)石墨中所嵌入的鋰含量超過其容量后，多余的鋰離子就會(huì)和負(fù)極中穿梭而來的電子結(jié)合，由于電流密度和鋰離子分布不均等因素，鋰離子在負(fù)極表面不均勻沉積形成鋰枝晶。鋰枝晶生長到一定程度后便會(huì)刺破隔膜，造成電芯內(nèi)短路。

2.1.2 漏液

電芯漏液的原因有外力損傷、碰撞、安裝不規(guī)范造成密封結(jié)構(gòu)被破壞、焊接缺陷、封合膠量不足造成密封性能不好等。電芯漏液后整個(gè)電池模塊的絕緣失效，容易發(fā)生外短路。

2.1.3 負(fù)極析鋰

過充、快充、電池老化、低溫充電等都會(huì)導(dǎo)致電芯負(fù)極析鋰。發(fā)生負(fù)極析鋰后，鋰金屬不可還原，導(dǎo)致電池容量不可逆衰減。析鋰達(dá)到一定嚴(yán)重程度，形成鋰枝晶，會(huì)刺穿隔膜發(fā)生內(nèi)短路[7]。

2.1.4 電芯鼓脹

電芯脹氣主要是因?yàn)殡姵貎?nèi)部發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生氣體，最為典型的是與水發(fā)生副反應(yīng)。此外，高溫存儲(chǔ)及過充過放也會(huì)導(dǎo)致電芯脹氣。

2.2 電池管理系統(tǒng)失效

在軌道交通領(lǐng)域，電池管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：對電池工作狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測；對電池的荷電狀態(tài)和健康程度進(jìn)行分析；電池異常狀態(tài)預(yù)警；均衡管理；對電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。電池管理系統(tǒng)失效會(huì)造成以下嚴(yán)重的事故：

1)電池管理系統(tǒng)電壓檢測失效導(dǎo)致電池過充電或過放電。

2)電池管理系統(tǒng)溫度檢測失效導(dǎo)致電池工作溫度過高。

3)電磁干擾導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)通信丟失，引發(fā)電池過充電或過放電。

2.3 Pack系統(tǒng)集成失效

Pack系統(tǒng)集成失效通常會(huì)造成以下后果。

1)螺母松動(dòng)、端子接觸不良會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體連接阻抗過大，造成高壓線路溫度升高，極端情況下會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)著火。

2)高壓接觸器粘連導(dǎo)致電池過充或過放。

3)高壓線路老化、絕緣失效、化學(xué)腐蝕、電氣間隙不足、爬電距離不足、材料選擇不當(dāng)、外來金屬導(dǎo)致電池系統(tǒng)外部短路。

3 城市軌道交通磷酸鐵鋰電池的安全性設(shè)計(jì)

為避免和防控上述不安全因素產(chǎn)生，磷酸鐵鋰電池的安全設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。安全的磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)包含電芯成分、電池管理系統(tǒng)功能、安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 電芯成分

磷酸鐵鋰電池在城市軌道交通應(yīng)用時(shí)通常安裝在專用的電池室內(nèi)，應(yīng)用環(huán)境友好，不會(huì)出現(xiàn)環(huán)境過熱、短接的情況，因此其應(yīng)用安全性的關(guān)鍵在于不能出現(xiàn)電池過充。

城市軌道交通磷酸鐵鋰電池組通常由多節(jié)單體電池通過串并聯(lián)方式組成，單體之間的不一致性會(huì)導(dǎo)致在充電過程中各單體電池的電壓存在差異，如果沒有采取任何的均衡措施，單體之間的差異將逐漸增大，最終導(dǎo)致個(gè)別單體過充或過放。因此，傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池不具備在城市軌道交通領(lǐng)域進(jìn)行浮充應(yīng)用的條件[8-9]。

相比于傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池，此次使用的磷酸鐵鋰電池為適應(yīng)軌道交通蓄電池浮充運(yùn)行要求，在常規(guī)磷酸鐵鋰電池基礎(chǔ)上做了以下改進(jìn)。

1)電解液中添加一定比例的氧化-還原劑，目的在于在電池內(nèi)部建立一種防過充的電化學(xué)自我保護(hù)機(jī)制，正常浮充狀態(tài)，氧化-還原劑相對穩(wěn)定地存在于電解液中，不參加任何化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，對電池宏觀電化學(xué)性能沒有影響，當(dāng)電池過充到氧化-還原添加劑的氧化電位時(shí)，添加劑在正極氧化，擴(kuò)散到負(fù)極還原，通過添加劑在正負(fù)極間的來回穿梭，使電池電壓不再升高，避免了正負(fù)極活性材料的氧化還原，從而避免過充安全事故的發(fā)生[10]。

2)選用陶瓷隔膜防止電芯內(nèi)部短路。

3)在電解液中添加特殊阻燃添加劑，有效提高電解液燃點(diǎn)，降低電解液的可燃度。

3.2 電池管理系統(tǒng)功能

通過添加氧化-還原添加劑，可以起到一定的自主均衡能力，但長期自主均衡將會(huì)使電池過熱。為了彌補(bǔ)電池自主均衡能力的不足，ES384V500Ah磷酸鐵鋰電池組采用主被動(dòng)均衡技術(shù)，即充電時(shí)對電池組中電壓最低的單體電池進(jìn)行補(bǔ)電，對電壓最高的單體電池進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)電池組中各單體電池電壓的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)均衡，保證每個(gè)單體電池都能充滿，減少由于自放電等原因?qū)е碌娜萘坎町?，提高電池一致性。如圖3所示，自2020年1月至今，ES384V500Ah電池組在以3.45 V/cell浮充運(yùn)行過程中，通過主被動(dòng)均衡使單體壓差保持在80 mV以內(nèi)。

圖3 ES384V500Ah電池組內(nèi)單體浮充電壓曲線 Figure 3 ES384V500Ah Floating voltage curve of single cell in battery pack

此外，電池管理系統(tǒng)還具有如圖4所示的功能，可實(shí)現(xiàn)對電池的數(shù)據(jù)采集、安全保護(hù)、狀態(tài)分析、能量控制、信息管理，保證電池安全、高效，長時(shí)間穩(wěn)定工作。

圖4 電池管理系統(tǒng)功能 Figure 4 Function of Battery Management System

3.3 安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ES384V500Ah磷酸鐵鋰電池組從電芯、模塊、機(jī)柜三層級安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效避免火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

1)電芯殼體采用整體拉伸工藝一體化設(shè)計(jì)，上蓋板同電芯殼體采用激光焊接，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及密封性。同時(shí)頂部采用泄壓閥設(shè)計(jì)，防止內(nèi)部壓力過大導(dǎo)致電池殼體破裂甚至爆炸。

2)電芯間采用絕緣導(dǎo)熱并且阻燃的材料進(jìn)行隔離，并采用焊接一體化結(jié)構(gòu)連接，在保證可靠的同時(shí)，當(dāng)外部發(fā)生短路時(shí)，可斷開連接，防止短路安全事故的發(fā)生。電池模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)導(dǎo)流氣路，可有效防止氣體聚集在極柱附近。同時(shí)，電池模塊采用密閉設(shè)計(jì)，可以有效隔絕空氣，在極端情況下不會(huì)燃燒。

3)系統(tǒng)采用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，可提供40 U自主安裝空間。在追求通風(fēng)散熱以及輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足IP20防護(hù)等級要求。電池機(jī)柜內(nèi)部所有的電氣連接點(diǎn)無一裸露，均采用定制化的PC絕緣材料防護(hù)，既美觀又安全。

4 結(jié)語

對比閥控式鉛酸蓄電池和高安全浮充式防火型磷酸鐵鋰電池兩種蓄電池在北京地鐵8號線的運(yùn)行情況可以看出，高安全浮充式防火型磷酸鐵鋰電池組在能量密度、大電流充放電特性、安全性、可靠性、運(yùn)維等方面更具優(yōu)勢，更適合城市軌道交通的應(yīng)用。