吳 健，王占國(guó)，張言茹

（北京交通大學(xué) 國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044）

1 軌道交通裝備功能需求及發(fā)展趨勢(shì)

軌道交通裝備能源來(lái)自于電網(wǎng)或內(nèi)燃機(jī)。隨著能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的新型能源不斷涌現(xiàn)。從能量來(lái)源角度看，未來(lái)的軌道交通裝備將由多能源混合供能系統(tǒng)提供能量［1］，如圖1所示。圖1中，藍(lán)色虛線左側(cè)是能量源，右側(cè)為負(fù)載。左側(cè)能量源包括：電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)組、燃料電池、超級(jí)電容、動(dòng)力蓄電池等［2］，這些能量源產(chǎn)生的電能直接或通過電力變化裝置接入車內(nèi)高壓直流母線，為車內(nèi)牽引及輔助負(fù)載供電。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景以及能源獲取的便利性，可以為單一能量源，也可以為2個(gè)或多個(gè)能量源的混合，如柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)（油—電混合動(dòng)力）［3］、柴油發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)、動(dòng)力電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)（油—電—電混合動(dòng)力）、氫燃料電池與動(dòng)力電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)（氫燃料電池混合動(dòng)力）等。在多能源混合情況下，以提高能源利用率、降低全生命周期采購(gòu)及運(yùn)營(yíng)成本為目標(biāo)，確定能源配比方案以及能源調(diào)度管理策略。

圖1 多能源混合供能示意圖

近年來(lái)，隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，以鋰離子電池為能量源的新能源汽車得到快速發(fā)展。而鋰離子電池在軌道交通裝備上的應(yīng)用相對(duì)發(fā)展較慢［4］，主要原因是在功率、能量、環(huán)境適應(yīng)性、壽命、安全性等方面，軌道交通裝備對(duì)鋰離子電池的要求更高。近年來(lái)，隨著對(duì)運(yùn)營(yíng)可靠性和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，以及隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷提升，鋰離子電池在軌道交通裝備上的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，世界各國(guó)紛紛推出了純電池驅(qū)動(dòng)、油—電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、氫燃料電池驅(qū)動(dòng)等不同形式的新能源軌道交通機(jī)車車輛。2018年，在“德國(guó)柏林國(guó)際軌道交通技術(shù)展（InnoTrans）”上，新能源及新材料得到了大量應(yīng)用及展示，在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，眾多全球領(lǐng)先的機(jī)車車輛供應(yīng)商，如中國(guó)中車（CRRC）、阿爾斯通（Alstom）、龐巴迪（Bombardier）、西門子（Siemens）等公司展出了許多首次在世界舞臺(tái)亮相的新型技術(shù)及產(chǎn)品，其中，鋰離子電池技術(shù)應(yīng)用成為新技術(shù)亮點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以鋰離子電池為代表的新型車載儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

2 鋰離子電池在軌道交通裝備上的應(yīng)用場(chǎng)景分析

傳統(tǒng)干線機(jī)車及動(dòng)車組驅(qū)動(dòng)能源來(lái)自于單相25 kV、50 Hz交流電網(wǎng)供電的交流傳動(dòng)系統(tǒng)原理（如圖2所示）或柴油發(fā)電機(jī)組供電的交流傳動(dòng)系統(tǒng)原理（如圖3所示）。

圖2 由單相25 k V交流電網(wǎng)供電的交流傳動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

圖3 由柴油發(fā)電機(jī)組供電的交流傳動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

在城市軌道交通領(lǐng)域，傳統(tǒng)地鐵、輕軌及有軌電車的驅(qū)動(dòng)能源來(lái)自于DC 1 500 V或DC 750 V直流電網(wǎng)，如圖4所示。

圖4 城市軌道交通車輛交流傳動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

與電動(dòng)汽車類似，利用鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)純電池動(dòng)力、油—電混合動(dòng)力、油—電—電混合動(dòng)力，以及燃料電池混合動(dòng)力等多種新能源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式。

2.1 純電池動(dòng)力

鋰離子電池可用做軌道交通裝備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電源。與電動(dòng)汽車的運(yùn)營(yíng)需求相比，用于干線鐵路的機(jī)車車輛的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)是高速、重載、長(zhǎng)續(xù)航，現(xiàn)有鋰離子電池很難完全滿足這樣的需求。但對(duì)于城市軌道交通，對(duì)上訴運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)的要求相對(duì)不高，一些應(yīng)用場(chǎng)景非常適合將鋰離子電池作為主要?jiǎng)恿υ础?/p>

2.1.1城市軌道交通應(yīng)用

（1）城市有軌電車

城市有軌電車與電動(dòng)大巴類似，非常適合用鋰離子電池作為動(dòng)力源［5］，其特點(diǎn)一是取消了影響城市景觀的架空供電線［6］，二是綜合建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本將大幅減少。純電池動(dòng)力有軌電車原理如圖5所示。

圖5 純電池動(dòng)力有軌電車原理示意圖

按照現(xiàn)有鋰離子電池系統(tǒng)能量密度計(jì)算，一列4~5編組的有軌電車可安裝鋰離子電池大約為150~250 kW?h，續(xù)航里程為25~50 km。這個(gè)里程數(shù)基本滿足城市有軌電車?yán)锍桃螅虼?，可僅在線路首末端設(shè)充電站，充電時(shí)間為發(fā)車間隔時(shí)間，一般不超過5 min，充電功率在1 MW以下。這個(gè)方案完全可以取消沿線鋪設(shè)的10 kV供電線，從而大幅降低建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本［7］。

（2）地鐵及輕軌車輛

對(duì)于地鐵及輕軌車輛，通過增加車載鋰離子電池系統(tǒng)，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由鋰離子電池提供能量源，將車輛牽引至站臺(tái)，疏散乘客，從而實(shí)現(xiàn)在供電網(wǎng)失效時(shí)的應(yīng)急自牽引，避免重大安全風(fēng)險(xiǎn)。該功能還可用于地鐵及輕軌車輛的庫(kù)內(nèi)自牽引，從而取消庫(kù)內(nèi)牽引供電線路，降低建設(shè)成本及庫(kù)內(nèi)高壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2干線軌道交通應(yīng)用

鋰離子電池雖然不適合作為高速、重載、長(zhǎng)續(xù)航的干線鐵路機(jī)車車輛的主牽引動(dòng)力源，但在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用鋰離子電池作為輔助動(dòng)力源，可大幅增強(qiáng)干線鐵路機(jī)車車輛的可靠性及適應(yīng)性。

（1）用于干線機(jī)車車輛的跨無(wú)電區(qū)自走行

通過增加鋰離子電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)鐵路機(jī)車車輛在無(wú)電網(wǎng)區(qū)自走行，從而實(shí)現(xiàn)有電區(qū)段和無(wú)電區(qū)段的不間斷運(yùn)行。由于受到鋰離子電池功率和能量的限制，該技術(shù)適用于對(duì)速度、載重及續(xù)航要求相對(duì)較低的市郊及城際鐵路機(jī)車車輛。

（2）用于供電網(wǎng)故障下的應(yīng)急自牽引及庫(kù)內(nèi)動(dòng)車

當(dāng)供電網(wǎng)故障時(shí)，動(dòng)車組斷電停車，傳統(tǒng)動(dòng)車組輔助蓄電池容量較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)環(huán)境控制，造成車廂內(nèi)環(huán)境快速惡化，嚴(yán)重影響安全運(yùn)行及乘客體驗(yàn)。通過增加動(dòng)力蓄電池，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組在無(wú)外部供電情況下的應(yīng)急自牽引，將動(dòng)車組牽引至下一供電區(qū)段或下一站臺(tái)疏散乘客，同時(shí)也為車廂內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)供電，提高乘客舒適度。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)供電網(wǎng)及車站建設(shè)情況，一般要求自牽引走行距離不低于20 km，其中5‰坡道5 km、平直道15 km，走行速度為30 km/h。

該功能還可用于動(dòng)車組及電力機(jī)車庫(kù)內(nèi)動(dòng)車，實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)自牽引功能，從而簡(jiǎn)化電路拓?fù)?、?jié)約成本、提高應(yīng)用靈活性。

（3）用于調(diào)車機(jī)車

傳統(tǒng)調(diào)車機(jī)車的能量源為柴油發(fā)電機(jī)組，調(diào)車機(jī)車的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)是待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、頻繁啟停，從而導(dǎo)致燃油效率低下，造成排放及噪音污染。由于調(diào)車機(jī)車的運(yùn)營(yíng)速度、載重要求相對(duì)較低，非常適合用鋰離子電池做動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。在無(wú)網(wǎng)作業(yè)環(huán)境下，用鋰離子電池作為牽引動(dòng)力源，有電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)作為牽引動(dòng)力源，同時(shí)為鋰離子電池充電。

2.2 油—電混合動(dòng)力

與傳統(tǒng)以柴油發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)車相比，由柴油發(fā)電機(jī)組與鋰離子電池實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是內(nèi)燃機(jī)車的重要發(fā)展方向［8］。通過油—電混合供電，讓柴油機(jī)工作在最佳油耗點(diǎn)，而負(fù)載功率波動(dòng)調(diào)節(jié)由鋰離子電池系統(tǒng)完成，從而實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)油效果。這種供電方式特別適合于調(diào)車機(jī)車，節(jié)油率在30%以上。另外，軌道交通中有大量的軌道工程機(jī)械車輛，如隧道內(nèi)的施工、檢查、維護(hù)等作業(yè)車輛，出于排放及環(huán)?？紤]，這些車輛也非常適合采用油—電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)，在隧道內(nèi)可完全關(guān)閉柴油機(jī)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)零排放作業(yè)，大大提高作業(yè)環(huán)境水平。油—電混合動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 油—電混合動(dòng)力原理示意圖

2.3 油—電—電混合動(dòng)力

近年來(lái)，出現(xiàn)了適用范圍更廣的油—電—電多源混合動(dòng)力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)有網(wǎng)和無(wú)網(wǎng)狀態(tài)下的更長(zhǎng)距離的干線牽引［9］，油—電—電混合動(dòng)力原理如圖7所示。

圖7 油—電—電多源混合動(dòng)力原理示意圖

2.4 燃料電池混合動(dòng)力

作為新型能源方式，氫燃料電池得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用，由于氫燃料電池的功率調(diào)節(jié)速度較慢，因此氫燃料電池不能單獨(dú)作為供電電源驅(qū)動(dòng)牽引及輔助負(fù)載，一般與鋰離子電池或超級(jí)電容一起，組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，為車輛提供能源［10］，燃料電池混合動(dòng)力原理如圖8所示。

圖8 燃料電池混合動(dòng)力原理示意圖

3 鋰離子電池的特性及適應(yīng)性分析

3.1 軌道交通裝備對(duì)鋰離子電池的應(yīng)用需求

軌道交通裝備是應(yīng)用于軌道交通特種行業(yè)的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品，而電動(dòng)汽車是民用產(chǎn)品，這樣的差別造成軌道交通裝備與電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力鋰離子電池需求不同，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）功率需求

與電動(dòng)汽車相比，軌道交通裝備的速度及功率等級(jí)較高。電動(dòng)汽車功率較小，充放電倍率一般不超過1 C［11］，而在軌道交通裝備上，在自重及空間限制下，如果不能增加裝機(jī)容量，將造成鋰離子電池系統(tǒng)充放電倍率比電動(dòng)汽車高出5~10倍，同時(shí)，對(duì)散熱需求大幅增加。

（2）能量需求

與電動(dòng)汽車相比，軌道交通裝備續(xù)航里程要求相對(duì)較大，因此電池裝機(jī)容量較多，較大的裝機(jī)容量將帶來(lái)安全防護(hù)、電池成組、散熱等諸多問題，技術(shù)難度較大。

（3）壽命需求

按照統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)于家用電動(dòng)汽車，每天的運(yùn)行里程不超過50 km，也就是說(shuō)每天充放電次數(shù)不到1次，按照容量不低于新電池的80%的電池退役標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)汽車用鋰離子電池可以基本滿足8 a或者不超過12萬(wàn)km的質(zhì)保要求［12］。軌道交通機(jī)車車輛屬于工業(yè)用途的載客或載貨營(yíng)運(yùn)車輛，每天營(yíng)運(yùn)時(shí)間超過10 h，充放電次數(shù)超過5次，甚至高達(dá)10次以上。普通電動(dòng)汽車用鋰離子電池循環(huán)壽命較短，在這樣的高強(qiáng)度應(yīng)用條件下，容量將很快衰退至80%，造成更高的電池更換成本。

（4）環(huán)境需求

電動(dòng)汽車的屬地特性較強(qiáng)，很少有車輛高頻次地在極寒的北方與極熱的南方之間運(yùn)行。而軌道交通裝備的特點(diǎn)是承擔(dān)全鐵路網(wǎng)大范圍的運(yùn)輸作業(yè)，高、低溫的頻繁交替給動(dòng)力電池的安全應(yīng)用提出了極高的要求［13］。

（5）安全性需求

與電動(dòng)汽車相比，軌道交通車輛載荷大、人員密集度高，一旦出現(xiàn)安全事故，救援及事故處理難度極大，會(huì)造成較大的人員及財(cái)產(chǎn)損失。因此，軌道交通車輛對(duì)相關(guān)車載設(shè)備的要求是在極端情況下，不能爆炸及起火，相關(guān)要求明顯高于電動(dòng)汽車。

3.2 現(xiàn)有鋰離子電池的特性對(duì)比分析

磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的正極材料分別是磷酸鐵鋰（LFP）和鎳鈷錳（NCM），負(fù)極材料是石墨，鈦酸鋰電池的正極材料通常是鎳鈷錳，負(fù)極材料是鈦酸鋰（LTO），這導(dǎo)致這3類電池在特性參數(shù)上有很大不同，參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 不同體系鋰離子電池參數(shù)對(duì)比

從3種鋰離子電池的特性參數(shù)來(lái)看，主要差別在于：

（1）能量密度。由于三元鋰電池采用高容量、高電壓的正極三元材料和電壓平臺(tái)較低的石墨負(fù)極，使得三元鋰電池的能量密度在3種電池中的能量密度最高。根據(jù)鎳含量的不同，三元電池的能量密度也有差異，最高可大于250 Wh/kg。磷酸鐵鋰正極材料的電壓平臺(tái)較低，且比容量與三元材料相比也較低，使得磷酸鐵鋰的能量密度小于三元電池。而鈦酸鋰電池負(fù)極采用的是鈦酸鋰材料，負(fù)極電壓平臺(tái)相較石墨而言明顯較高，使得鈦酸鋰電池能量密度下降明顯，因此，鈦酸鋰電池能量密度最低。由于電動(dòng)汽車設(shè)備安裝空間較小，對(duì)質(zhì)量要求較高，因此鋰離子電池的高能量密度是電動(dòng)汽車追求的重要指標(biāo)。軌道交通裝備對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)的安裝空間、質(zhì)量不如電動(dòng)汽車要求高，因此，與其他參數(shù)相比，能量密度參數(shù)指標(biāo)并非重要追求指標(biāo)。

（2）功率密度。在3種電池中，三元和磷酸鐵鋰電池受負(fù)極倍率特性的影響，倍率特性較差，而鈦酸鋰電池為三維鋰離子傳輸結(jié)構(gòu)，倍率特性大幅度提升，因此，鈦酸鋰電池的倍率特性在3種電池中位居首位，在大功率牽引場(chǎng)合應(yīng)用占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

（3）循環(huán)壽命。鈦酸鋰材料為零應(yīng)變材料，在充放電循環(huán)過程中，基本上不發(fā)生體積膨脹和收縮，使得鈦酸鋰電池具有超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，最長(zhǎng)可達(dá)20 000次循環(huán)［14］。由于三元材料在循環(huán)過程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致電池容量跳水，導(dǎo)致三元鋰電池循環(huán)壽命較低，一般不超過3 000次［15］，而磷酸鐵鋰材料相較三元材料而言，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，循環(huán)壽命較三元長(zhǎng)，可達(dá)5 000次。通過對(duì)比分析，鈦酸鋰電池更適合于充放電頻繁的軌道交通裝備應(yīng)用。

（4）環(huán)境適用性。鈦酸鋰電池由于其自身結(jié)構(gòu)特性，使得其在寬溫度范圍內(nèi)的充放電特性均優(yōu)于其他2種電池［16］，受負(fù)極電位低的影響，低溫下石墨負(fù)極容易發(fā)生析鋰，會(huì)有由于析鋰而產(chǎn)生的內(nèi)短路的安全風(fēng)險(xiǎn)［13］。因此，鈦酸鋰電池更適合于軌道交通裝備應(yīng)用。

（5）安全性。內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)最低的是鈦酸鋰電池［17］，這是因?yàn)槿囯姵嘏c磷酸鐵鋰電池的負(fù)極都為石墨，會(huì)產(chǎn)生由于析鋰而導(dǎo)致的內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)，而鈦酸鋰電池的負(fù)極為鈦酸鋰材料，基本不會(huì)發(fā)生析鋰，內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)極低。此外，電池系統(tǒng)中熱失控存在熱擴(kuò)散和熱蔓延，鈦酸鋰電池的本征安全性使得其在發(fā)生熱失控時(shí)對(duì)周圍電池的影響程度較低，因?yàn)閺哪芰康慕嵌瘸霭l(fā)，三元>磷酸鐵鋰>鈦酸鋰，所以電池發(fā)生單體熱失控后系統(tǒng)產(chǎn)生熱蔓延的風(fēng)險(xiǎn)也如上排序。

（6）經(jīng)濟(jì)性。目前按照單體和系統(tǒng)的首次購(gòu)入成本而言，從低到高的順序?yàn)榱姿徼F鋰<三元<鈦酸鋰，但通過前面對(duì)循環(huán)壽命的分析可知，鈦酸鋰電池的壽命是磷酸鐵鋰和三元的4~7倍，因此考慮全生命周期應(yīng)用，按照度電成本計(jì)算，鈦酸鋰電池在3種電池中成本最低。在機(jī)車車輛的30 a生命周期內(nèi)，綜合考慮購(gòu)入成本和使用成本，鈦酸鋰電池最具經(jīng)濟(jì)性。

通過從能量、功率、壽命、安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境6方面對(duì)3種電池進(jìn)行對(duì)比分析，鈦酸鋰電池在除能量密度外的其他方面明顯優(yōu)于其他類型鋰離子電池，因此更適用于軌道交通裝備應(yīng)用。

4 結(jié)論

通過以上分析可以看出，以鋰離子電池為代表的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)將在軌道交通裝備上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。當(dāng)前階段，鈦酸鋰電池以其優(yōu)良的功率特性、循環(huán)壽命特性、環(huán)境適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等特性，非常適用于軌道交通裝備應(yīng)用。隨著鋰離子電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，新的材料體系電池不斷涌現(xiàn)，如固態(tài)電池等，新能源軌道交通技術(shù)將迎來(lái)更好的發(fā)展前景。