浅析磷酸铁锂电池在地铁供电系统的应用

浅析磷酸铁锂电池在地铁供电系统的应用

巩宁

徐州地铁运营有限公司  江苏徐州  221000

摘要：本文在总结磷酸铁锂电池的特性的基础上，介绍对比阀控式密封铅酸蓄电池应用特点，从而针对磷酸铁锂电池作为供电系统所使用的新型蓄电池应注意的问题进行探讨与研究，旨在为了提高磷酸铁锂电池的使用效率及确保供电系统的稳定运行。

关键词：磷酸铁锂电池；阀控密封铅酸电池；应用

1、引言

蓄电池作为地铁供电系统中的应急电源特别在市网波动，交流输入等突发状况时担负起非常重要的作用。本文通过对比直流屏所使用两种不同类型的蓄电池，探究适合当前地铁供电系统发展需要和安全稳定性的蓄电池选择。

2、磷酸铁锂电池的介绍

2.1 磷酸铁锂电池的结构与工作原理

一端以橄榄石结构的LiFePO4作为电池正极，通过铝箔与电池正极连接，另一端以碳（石墨）组成电池负极，通过铜箔与电池的负极连接，中间是聚合物的隔膜把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，电池的上下端是电池的电解质，电池由金属外壳、铝塑复合膜或塑料壳密闭封装。

当电池充电时，正极材料中的锂离子脱出来，经过电解液穿过隔膜进入到负极材料中；电池放电时，锂离子又从负极中脱离出来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中。

2.3 磷酸铁锂电池的优缺点

2.3.1 磷酸铁锂电池的优点

2.3.1.1超长寿命：磷酸铁锂电池在25℃室温下1C充放电循环次数可达到2000次，容量保持率在80%以上，是铅酸蓄电池的5倍。 

2.3.1.2安全性高：磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强，所以结构更加稳定，并且不易释放氧气。磷酸铁锂电池在高温下的稳定性可达400以上，保证了电池内在的高安全性；不会因为过度充电、温度过高、短路、撞机而产生爆炸或燃烧。

2.3.1.3环保且不需要稀有金属：磷酸铁锂电池不含任何（锂之外）重金属或者稀有金属，无毒，无污染。

2.3.1.4充电速度快，自放电少，无记忆效应：磷酸铁锂电池可大电流快速充放电，最高可达到1C进行充放电。

2.3.1.5体积小，重量轻：相同容量下磷酸铁锂电池的体积是阀控密封铅酸蓄电池的2/3，重量是铅酸电池的1/3。

2.3.2 磷酸铁锂电池的缺点

2.3.2.1导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时，实际比容量低。

2.3.2.2电压一致性问题比较严重。单体磷酸铁锂电池寿命超过2000次，但是制作出来的电池一致性不佳，进而影响到电池组的使用性能和整体寿命。

2.3.2.3磷酸铁锂电池低温性能差。一般情况下，对于单只电芯，其0℃时的容量保持率约60~70%，-10℃时为40~55%，-20℃时为20~40%。

2.3.2.4制造成本高。磷酸铁锂具有安全性、环保性、循环次数高等优点是毋庸置疑的，但目前的制造成本相对铅酸电池要高。其主要原因是材料粒度小，振实密度小，比表面积大，材料的加工性能不好，涂敷量低，导致电池成本增加。

3、阀控密封铅酸电池的介绍

3.1 阀控密封铅酸电池的结构与工作原理

阀控密封铅酸电池由正极板、隔板、负极板、极柱、端子、盖板、安全阀、外壳组成。

电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅，电池在充电时，两级分别生成铅和二氧化铅，充电结束后它又恢复到放电前的状态。简单来说就是充电时，电能转化为化学能，放电时化学能转化为电能。

3.3 阀控密封铅酸电池的优缺点

3.3.1 阀控密封铅酸电池的优点

3.3.1.1维护及巡检的可操作性强：阀控密封铅酸蓄电池只需要严格控制整流器的充电电压，根据浮充使用和循环使用的不用要求，采用规定的电压进行恒压充电，无需值班人员过多操心电池的充电过程，不必添加蒸馏水，也不必经常检测电池端电压、电解液比重及温度，只需定期检测电池端电压和放电容量即可。

3.3.1.2安装方便：阀控密封铅酸电池已进行过化成充放电处理，荷电出厂，所以在安装使用时无需在进行繁琐的初充电过程，如果放置时间超过六个月可按生产厂家规定的参数进行补充电，在充足电之后进行一次容量试验性放电检查以判断电池容量是否符合标准要求，质量是否稳定可靠。

3.3.1.3安全可靠：阀控密封铅酸电池采用密封结构，可竖放或卧放使用，无酸雾、无毒、无有害气体溢出，由于电池采用恒压充电方式，电池内部实现氧循环过程，水损失很少，即使偶尔过充，有少量的气体可通过安全阀向外排出，电池外壳不会因为内部压力过大而膨胀甚至爆裂。

3.3.1.4制造成本低：由于阀控密封铅酸电池的开发时间早，技术及制造工艺已趋于完善，因此生产成本相对于锂电池来说要低很多。

3.3.2 阀控密封铅酸电池的缺点

3.3.2.1对充电制度要求高：阀控密封铅酸电池必须严格控制充电制度，如果蓄电池单格电压超过某一水平（一般为2.35~2.40V/单格），蓄电池就无法使产生的氧气充分在化合。电压过高，在负极板上生成氢气产生的压力会造成蓄电池失水。

3.3.2.2热失控概率高：大多数电池体系都存在发热问题，但在阀控密封铅酸电池中可能性更大，这是由于氧再化合过程中使电池内部产生更多的热量，排出的气体量小，减少了热的消散。

3.3.2.3使用寿命短：阀控密封铅酸电池的理论使用寿命在标准温度25℃下为8-10年，但在大多数情况蓄电池在使用5年后容量会出现明显下降，其主要原因就是因为负极不可逆硫酸盐化。在正常条件下，蓄电池在放电时形成硫酸铅结晶，在充电时能较容易地还原为铅。如果电池的使用和维护不当，负极就会逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅，它几乎不溶解，用常规方法充电很难使它转化为活性物质，从而减少了电池容量。

3.3.2.4重金属污染：阀控密封铅酸电池在制造的时候需要使用大量的铅原料，因此会对环境造成污染。

4、磷酸铁锂电池的应用

4.1 新旧直流屏的接线方式的改变

基于磷酸铁锂电池的充电控制方式的不一样，故蓄电池的输入、输出接线方式同使用铅酸电池的直流电源屏略有不同，使用铅酸电池的直流电源屏的电池输入回路是由充电模块直接蓄电池，同时并联几组大型二极管以便在交流失电蓄电池供电时起到降低电压的作用，同时在串联的蓄电池组上并联一个单体电池巡检模块。而使用磷酸铁锂电池的直流电源屏的电池输入回路就相对简单，因为磷酸铁锂电池的单体电池电压要高于铅酸电池，最高可达到3.65V/节，组成的电池组电压可以控制在217.6V左右，而我们地铁控制母线的电压为220V±10%，当交流失电时可以不需要二极管进行降压而直接对控母进行供电，所以它的输入回路就是由充电模块经电池管理控制单元后直接对整组电池进行充电。

4.2 新旧直流屏充电控制方式的改变

由于磷酸铁锂电池严禁对每个单体蓄电池过充，因此①必须对每个单体电池进行采样，必须控制充电电压，即每个单体电池电压达到3.65V立即停止充电（包括浮充），而铅酸蓄电池就没有这么高的要求，当一节电池电压过高时不影响其他电池的充电。②对每个磷酸铁锂电池单体电池电压采样是通过内部通讯方式进行通讯的，若出现任何单体电池通讯故障，也必须立即停止充电（包括浮充），而铅酸电池的电压采用是通过外部电池巡检模块进行的，单节通讯故障不影响整组蓄电池的充电。③磷酸铁锂电池充电时每个单体温度要进行控制，当发现每个单体电池温度异常，也必须立即停止充电（包括浮充）。

4.3 蓄电池管理方式的改变

阀控密封铅酸电池的管理方式是在电池组并联一个电池巡检单元，由电池巡检单元对单节电池电压进行采样，将检测的信息传送给直流屏的PLC，由PLC来对整组及单体电池是否正常进行管理。而磷酸铁锂电池的管理方式是由BMU电池管理控制单元来进行集中管理的，当单体电池出现电压异常或温度异常时，由BMU来进行判断，并把判断结果上传给直流屏的PLC，而PLC只起到故障告警作用。这个控制单元包含了单体电池电压的采样及单体电池温度的采样。

5 总结

通过对磷酸铁锂电池和阀控密封铅酸电池的结构、原理、优缺点以及两种蓄电池所使用的直流屏的内部差异分析，磷酸铁锂电池在性能上优于铅酸电池，但最大的缺陷就是使用成本高昂，希望通过这篇文章能给以后的蓄电池整组改造及设备的分析评估提供微薄的参考意见。

参考文献

1.徐海明《阀控密封铅酸蓄电池》.中国电力出版社  2010；

2.徐海明《变电站直流电源设备使用与维护》.中国电力出版社  2007；

3.张嵩《磷酸铁锂电池性能与应用研究》 .山东电力技术  2012；

4.《直流电源屏用电池组系统产品规格书》.技术手册。