采用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能的一體化集中供電電源系統(tǒng)研究

李大偉，孫晉敏，楊夏杰

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 寧波 315100）

在《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中提出要建立供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等系統(tǒng)的智能運(yùn)維體系，提升城軌裝備維護(hù)智能化程度、提升運(yùn)維效率，減少維護(hù)人工的作業(yè)強(qiáng)度，形成城軌裝備智能化。而目前城市軌道交通通信、信號(hào)專業(yè)大多是各使用一套獨(dú)立以鉛酸電池為后備儲(chǔ)能的電源系統(tǒng)，采用UPS 柜、配電柜、電池柜（架）分散方式安裝，蓄電池且需求數(shù)量多，不環(huán)保，占地面積大，對(duì)機(jī)房環(huán)境溫濕度要求高，存在維護(hù)工作量大，后期故障率、維修成本相對(duì)較高等問題。

為此通過對(duì)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能一體化集中供電電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得明確并對(duì)其可行性進(jìn)行分析，以推動(dòng)傳統(tǒng)電源系統(tǒng)改造，完成集高壓箱（BMS 管理）、電池模組、CAN 通訊等一體的磷酸鐵鋰電系統(tǒng)，以及集機(jī)柜、配電、UPS、電池、精密空調(diào)、監(jiān)控、消防等于一體的一體化系統(tǒng)在通信、信號(hào)電源室應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)通信、信號(hào)電源系統(tǒng)集中供電與智能運(yùn)維。

1 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能的一體化集中供電電源系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1.1 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)

（1）智能BMS 管理。對(duì)電池模組的電壓、電流、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，對(duì)電池系統(tǒng)起控制和保護(hù)作用。

（2）安全性高。采用高安全性和長(zhǎng)循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰正極材料電芯，即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性好；高溫時(shí)性能好，磷酸鐵鋰電池在外部溫度55℃時(shí)仍能正常工作。

（3）更節(jié)能環(huán)保。鋰電池自放電率低，更節(jié)能。鋰電池不含有鉛、福、汞等有毒物質(zhì)，沒有對(duì)人體有害的重金屬元素。

（4）耐用性好。相對(duì)于傳統(tǒng)鉛酸膠體蓄電池，磷酸鐵鋰電池采用1C 充放電循環(huán)次數(shù)達(dá)到2000 次，使用壽命具有明顯優(yōu)勢(shì)；同時(shí)鋰電池耐用性較強(qiáng)，消耗慢，并且無記憶效應(yīng)。

（5）性價(jià)比高。磷酸鐵鋰使用壽命與UPS 使用壽命基本同步（10 ～12 年），傳統(tǒng)鉛酸蓄電池使用壽命約為6 ～8 年，考慮到使用過程中需要對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行改造更換，所以壽命更長(zhǎng)具有更高的年化性價(jià)比。

（6）安裝維護(hù)方便。同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式設(shè)計(jì)，安裝方便快捷，安裝密度高，空間利用率好不額外占用機(jī)房面積，維護(hù)簡(jiǎn)單。

1.2 一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

（1）占地面積小，改造工作量較小?？蓪⒘姿徼F鋰電系統(tǒng)安裝于現(xiàn)有設(shè)備室，更方便實(shí)施安裝、布線，減少施工過程引起的污染、噪聲，減少對(duì)既有設(shè)備影響。同時(shí)，對(duì)于新建線路，更小的占地面積也能有效降低土建成本。

（2）安全穩(wěn)定性高。采用磷酸鐵鋰鋰電池模組及BMS 智能管理，本身鋰電池有更好的耐高溫、耐用性，BMS 管理系統(tǒng)又能對(duì)電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，對(duì)電池系統(tǒng)起控制和保護(hù)作用。

（3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。改造后在改善電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，雙柜系統(tǒng)將鋰電系統(tǒng)進(jìn)行密封冷通道封閉內(nèi)循環(huán)，對(duì)外部環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)；減少機(jī)房?jī)?nèi)粉塵侵入的同時(shí)獲得更好的精確制冷效果，減少設(shè)備整體故障率；另外配有冷凝水蒸發(fā)裝置，避免空調(diào)制冷排水問題的困擾。對(duì)于新建線路，采用一體化冷通道封閉設(shè)計(jì)能有效降低施工期間外部粉塵侵入，有效降低因粉塵、潮濕引起的故障隱患。

2 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能的一體化集中供電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)構(gòu)成

主體可分為磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與一體化動(dòng)力系統(tǒng)，通過全封閉式雙機(jī)柜并柜方式部署UPS 模塊、鋰電模組、配電模塊、消防模塊、制冷模塊、動(dòng)環(huán)監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)雙通道冷循環(huán)保證設(shè)備長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，也使得本系統(tǒng)對(duì)安裝環(huán)境無過度要求；通過BMS 智能管理可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池模組的電壓、電流、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，對(duì)電池系統(tǒng)起控制和保護(hù)作用。顯著提升運(yùn)營(yíng)維護(hù)的技術(shù)水平，大幅減少日常巡視工作量，降低設(shè)備故障率以及維護(hù)成本，磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能的一體化集中供電電源系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①一體化柜體部分。采用雙機(jī)柜并柜系統(tǒng)，機(jī)柜部署冷熱通道：a 密閉冷通道位于IDU 前端，通道寬約175（185）mm；b 密閉熱通道位于IDU 后端，通道寬約175（165）mm。②UPS 部分。采用模塊化N+1 冗余式部署的方式，選用1 套30KVA 模塊化UPS。停電時(shí)轉(zhuǎn)為電池逆變供電；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換至旁路交流電源。③配電選型設(shè)計(jì)。采用機(jī)架式精密空調(diào)一體化配電柜模式，部署ATS 雙路切換開關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各支路電壓、電流數(shù)據(jù)。④制冷部分。采用機(jī)架式空調(diào)部署的方式，選用1 臺(tái)機(jī)架式一體化精密空調(diào)，自蒸發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)密閉冷通道。⑤監(jiān)控部分。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)UPS、配電、空調(diào)、溫濕度、消防、視頻、門禁、漏水等設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)告警進(jìn)行管理。IDU 動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可提供系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、視圖、報(bào)表的查看。⑥消防部分。配置1 套機(jī)架式滅火器，滅火劑采用七氟丙烷（HFC-227ea/FM200），它無色，無味，低毒，不導(dǎo)電、不污染被保護(hù)對(duì)象，不會(huì)對(duì)精密設(shè)施造成損壞。⑦磷酸鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)。配置1 臺(tái)高壓箱及512V，50Ah 鋰電池模組，高壓箱具有對(duì)各電池模塊智能BMS 管理功能，有多種通信方式，具備與UPS 和監(jiān)控裝置的通訊功能；能對(duì)電池模組的電壓、電流、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，對(duì)電池系統(tǒng)起控制和保護(hù)作用。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）BMS 智能管理

①電池模擬量高精度監(jiān)測(cè)功能。對(duì)電池組實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)，電池組充放電電流檢測(cè)，單體電池端電壓檢測(cè)，電池組多點(diǎn)溫度檢測(cè)及漏電監(jiān)測(cè)。

②電池系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)警、顯示及上報(bào)功能。對(duì)電池系統(tǒng)過壓告警，電池系統(tǒng)欠壓告警，電池系統(tǒng)過流告警，電池系統(tǒng)高溫告警，電池系統(tǒng)低溫告警，電池系統(tǒng)漏電告警，電池管理系統(tǒng)通信異常告警，電池管理系統(tǒng)內(nèi)部異常告警。

③電池系統(tǒng)全壽命周期的保護(hù)功能。電池管理系統(tǒng)在電池系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、電流、溫度等模擬量出現(xiàn)超過安全保護(hù)門限的情況時(shí)，將進(jìn)行故障隔離，將問題電池組串退出運(yùn)行，同時(shí)上報(bào)保護(hù)信息，并在本地進(jìn)行顯示。

④均衡功能。本電池管理系統(tǒng)具備被動(dòng)式均衡功能，通過高效的均衡策略能夠很好得維護(hù)電池組的一致性。

（2）磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能

①材料安全性。磷酸鐵鋰電池，是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負(fù)極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池不含有任何重金屬元素，是一種安全無毒且環(huán)境友好的儲(chǔ)能介質(zhì)。

②熱安全性。磷酸鐵鋰電池的正極材料呈有序的橄欖石結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)秀的穩(wěn)定性。因此，磷酸鐵鋰電池的熱分解溫度可達(dá)到480℃。同時(shí)通過對(duì)磷酸鐵鋰材料的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)可以判定，在熱分解時(shí)，磷酸鐵鋰材料不會(huì)像三元材料一樣釋放氧氣，而是生成鐵的氧化物，鐵的磷酸化合物及鋰的氧化物等固體物質(zhì)。

③破壞性測(cè)試。磷酸鐵鋰電池在擠壓、短路、過充幾種破壞性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果皆不起火、不爆炸，在燃燒測(cè)試中也未爆炸。

3 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能的一體化集中供電電源系統(tǒng)可行性分析

3.1 與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)對(duì)比分析

在探索基于磷酸鐵鋰儲(chǔ)能介質(zhì)的智能化、一體化電源系統(tǒng)在軌道交通通信信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用及創(chuàng)新，本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)電源系統(tǒng)在以下幾方面進(jìn)行創(chuàng)新，一體化集中供電電源系統(tǒng)于傳統(tǒng)電源系統(tǒng)對(duì)比如表1。

表1 一體化集中供電電源對(duì)比傳統(tǒng)電源系統(tǒng)

3.2 磷酸鐵鋰與鉛酸對(duì)比分析

磷酸鐵鋰電池相對(duì)鉛酸蓄電池其工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量密度大、耐高溫環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無記憶效應(yīng)、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)有更高的性價(jià)比，無污染便于回收，適用于智能運(yùn)維等眾多優(yōu)點(diǎn)，能廣泛使用在各種精密設(shè)備上，且有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語

本文對(duì)采用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能一體化集中供電電源系統(tǒng)的構(gòu)成以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，講述其磷酸鐵鋰電系統(tǒng)與IDU 一體化系統(tǒng)在通信信號(hào)電源系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)一體化集中供電電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)以及磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池的性能參數(shù)、設(shè)備及維護(hù)成本、安全系數(shù)等進(jìn)行綜合比較分析，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能一體化集中供電電源系統(tǒng)集成度高，維護(hù)智能化程度高，性能耐久性能良好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，循環(huán)壽命長(zhǎng)有更高的性價(jià)比，可以很好提升運(yùn)維效率，減少維護(hù)人工的作業(yè)強(qiáng)度，形成城軌裝備智能化。相信隨著技術(shù)的成熟和成本日益的優(yōu)化，一體化集中供電電源系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電源系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池取代鉛酸電池會(huì)在通信信號(hào)電源系統(tǒng)中應(yīng)用。