城市轨道交通中磷酸铁锂电池的应用研究

城市轨道交通中磷酸铁锂电池的应用研究
发布时间：2021-12-28T07:05:55.615Z 来源：《中国科技人才》2021年第22期作者：李秉明张绪刚[导读] 随后探讨在轨道交通领域采用磷酸铁锂电池方案，分析其可行性，最后提出应用该电池需要注意事项。

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摘要：基于成本、倍率放电性能、温度特性、循环寿命、可回收性、寿命特性、常规性能等对比磷酸铁锂电池和现有电池，随后探讨在轨道交通领域采用磷酸铁锂电池方案，分析其可行性，最后提出应用该电池需要注意事项。

关键词：磷酸铁锂电池；城市轨道交通；应用
现阶段城市轨道交通应用后备电源主要的有弱电系统 UPS、地铁站内直流屏用电池组、车载电源等，其主要应用在列车的应急照明、火灾自动报警、门禁、站内通信、通风、屏蔽门、自动售检票、监控、信号、应急照明等。

之前轨道交通工程后备电源主要的是铅酸电池或者镍镉电池，伴随国家持续性提升免维护性、节能、成本控制、安全、环保等要求，采用传统蓄电池没有办法满足这些要求。

本文尝试着剖析磷酸铁锂电池所拥有的优势，借助于案例剖析轨道交通应用磷酸铁锂电池可行性，展望今后推广前景。

1 磷酸铁锂电池和现阶段电池对比
现阶段轨道交通领域应用的最多的是铅酸电池，随后是锂电池、镍镉电池。

根据不同层面对比能够了解到磷酸铁锂电池存在比较明显优势，属于今后储能用电池发展方向。

从标称电压来看，磷酸铁锂电池是 3.2V，镍镉电池是 1.2V，铅酸电池是 2.0V。

如果单节电池容量相同，磷酸铁锂电池体积比、重量比都是镍镉电池和铅酸电池的 1.5 倍至 2.5 倍的范畴。

一些能够充电的电池经常是属于充满不放光状态，电池容量势必会快速降低于额定容量，这也就是电池记忆效应。

磷酸铁锂电池尚未存在记忆效应，能够随充随用，并不需要将电放光再充电。

从额定容量来看，磷酸铁锂电池是处于-20℃能够达到额定容量的八成以上，而另外两种只是六成左右。

磷酸铁锂电池对比别的电池，其处于高温环境放电容量往往比额定容量高。

从这也就体现出磷酸铁锂电池拥有比较宽工作范围，绝对可以满足轨道交通各种气温条件下正常使用。

从循环寿命来看，磷酸铁锂电池是两千次左右，镍镉电池是五百次左右，铅酸电池是四百次左右。

使用镍铬电池或者铅酸电池都必须多次维护，可是磷酸铁锂电池借助于其电池管理系统均衡作用发挥来做到免维护，磷酸铁锂电池对比别的电池的运行温度较少的影响电池寿命。

从充放电来看，磷酸铁锂电池能够实施大电流快速充放电，处在 2C 实施快速充电可以充满电，并且处于 5C 倍率放电的适合容量达到95%额定容量以上，放电电压平台平稳。

往往镍铬电池不能实施大电流放电，要不缩短甚至损坏电池。

铅酸电池处于 2C 倍率放电，放电容量则是八成额定容量，放电电压平台出现较大下降。

从浮充特性来看，环境温度较大的影响铅酸电池，如果处于 50℃，浮充时间半年以内。

镍铬电池则是脉冲式充电方式，处于浮充期间必须进行补液维护。

磷酸铁锂电池处于 50℃能够以 3.6V 浮充电压下浮充一年时间，而且还能够实现八成以上的容量保持率。

2 轨道交通中应用磷酸铁锂电池方案分析
应用磷酸铁锂电池过程配合电池管理系统能够确保最佳工作状态运行电池组，提升电池组安全性和使用寿命。

处于拓扑结构能够将电池管理系统划分为两个层次：电池组管理控制单元承担的职责是与电池模块管理控制单元和外部中央控制器通信，实施SOC 估算，总电流和总电压采样；蓄电池组管理控制单元承担的职责是采样电池单体电压、采样电池模块温度，借助于 CAN 总线把采样数据上报给电池组管理控制单位。

电池组系统中电池管理系统主要存在以下功能：一是控制线、热、充放电、过滤等保护。

当电池出现温度差异大、单体电池电压失衡、过流、温度过高、欠压、过压等情形则将充放电回路自动关闭，而且借助通讯电路向外部报警；二是电池SOH 失效判断处理。

使用电池组过程随时将单体电池及电池组实时参数记录下来，借助一定数学模型判断单体电池及电池组有效性，如果判断系统存在电池失效、将要失效、和别的电池不一致性增大，借助 CAN 总线通信方式通知维护电池组；三是故障预警与处理。

监控电池组相应参数在使用电池组环节借助故障判定条件判定电池系统当前状态而且向中央处理器上报处理；四是充电控制。

借助于单体电池电压与温度的监测，如果电池是长期浮充状态，电池单体受到内阻差异影响使得个别单体电压上升或者下降。

如果单体最高电压达到一定数值，电池管理系统控制打开正接触器，而有二极管的影响，电池组停止充电，处在放电就绪状态。

如果在应急模式，那么电池组则就开始
进行放电，持续一段时间电池管理系统控制闭合正端接触器；五是绝缘电阻测量与高压电预警管理。

可以对电池组对机壳绝缘电阻实时测量，按照绝缘电阻大小判断系统是否存在负荷要求绝缘强度，有效预防电池组漏电；六是 CAN 总线通信。

借助于 CAN 总线方式相继和外部管理系统、LECU 通信；七是SOC 估算。

处于实时充放电状态可以对电池组剩余容量估算；八是电池管理系统内部电池SOC 均衡。

对于电池组内部单体电池电压状态实时监控，借助于内置均衡电路确保全部单体电池SOC 一致性；九是测量单体电池电压。

借助模拟测量电路，对所有单体电池电压实时测量，以便提供给电池管理系统分析；十是测量温度。

借助于模拟测量电路，实时对电池单体温度测量，提供给电池管理系统实施分析与热均衡控制；十一是诊断高压执行器件。

电池管理系统能够判断高压执行器件如高压接触器失效、断开、吸合模式，借助于 CAN 总线反馈；十二是记录系统时间。

电池管理系统按照片上时钟芯片，将电池使用、故障时间记录下来，定期自动维护电池组系统。

3 轨道交通中磷酸铁锂电池具体实践
车载后备电源系统的应用
对轨道交通列车应用磷酸铁锂电池可行性进行验证，在这里测试110V/150Ah 轨道交通车载电池组是否可以对轨道交通车辆在四十五分钟内应急电源要求满足，借助于车载电池组实施充放电试验验证其工作时间以及使用稳定性。

在具体试验数据反馈结果来看，电池组系统在开通通信、照明、通风等设备以及定时开关车门状况下，过去四十五分钟还维持 55% 的剩余电量，电池组放电到截止电压能够维持九十分钟列车运行。

对比现阶段所使用的车载镍铬蓄电池，处于相同工作电压与容量，车载磷酸铁锂电池组降低七成以上的重量，也就是大致三百公斤，电池体积缩小一半，除此之外，使用磷酸铁锂电池并不需要进行维护，使得电池维护费用极大降低。

直流电源屏的应用
要想对轨道交通直流屏电源应用磷酸铁锂电池可行性分析，测试230V/200Ah 电池组是否可以对轨道交通直流屏电源充电性能要求以及规定时间应急供电要求响应满足，借助于充放电、模拟断电电池验证其使用稳定性、应急响应、工作时间。

根据试验反馈情况来看，磷酸铁锂电池可以满足直流屏电源功能要求，如果突然掉电能够快速响应，受到试验条件局限性，选择的是 80A 充电与 100A 放电。

磷酸铁锂电池能够满足 1C 快速充放电要求，使得日常保养维护时间极大缩短，其所拥有的优越倍率放电性能，能够将系统脉冲大功率放电需求满足。

站内 UPS 的应用
站内弱电 UPS 系统是否满足市电断电状况，确保 AFC、信号、通信等弱电系统备用电源功能，在这里选取 364V/150Ah 电池组系统。

电池管理系统在充电后期检测到电池组即将充满，将总正接触器断开，以便让电池组呈现放电就绪状态，为电池组不会因为长期浮充使得个别单体电池过压提供保证。

4 结束语
总之，由于轨道交通智能化与高度自动化，这也就存在更高备用电源系统要求，之前的镍铬电池、铅酸电池其存在的维护工作量大、能量密度低、充放电循环性差、功能密度低、倍率性差等弊端，对后备电源系统现代化产生制约。

磷酸铁锂电池得到广大专家认可，运行电动汽车工况对比轨道交通后备电源系统应用有着更为苛刻严格条件，其能够满足电动汽车各项要求，并且还存在良好环保性，绝对能适应轨道交通后备电源使用需求。

参考文献
[1] 金标,邹武元,刘方方,安治文,徐志强.电动汽车用磷酸铁锂电池针刺热失控试验研究[J].汽车技术:1-5.
[2] 周喜超,王楠,徐街明,赵梦欣,张晨光.磷酸铁锂电池管理技术及安全防护技术研究现状[J].热力发电,2021,50(06):9-17.。