钛酸锂电池在城市轨道交通的适用性研究

吴 健 ，张言茹 ，郑鑫杰

（1. 北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2. 国家能源主动配电网技术研发中心，北京 100044）

近年来，智能化与节能化是轨道交通车辆发展的趋势。车载设备的数量呈上升趋势，采用新材料新装备来降低列车总重与列车运行能耗已成为目前研究的热点。在轨道交通中加装车载储能系统或地面储能系统可以充分利用列车再生制动能量并可通过能量管理策略提高运行效率，最终达到节能减排的目的[1]。利用车载储能系统作为主驱动能源，既取消了影响城市景观的架空供电线，还可大幅减少综合建设及运营成本。

目前在车载储能中常用的储能元件有锂离子电池和超级电容两类。超级电容的主要优点有充放电速度快，循环次数高于锂离子电池，效率高、功率密度高，可承受温度范围宽，但其也有着不可忽略的缺点，即能量密度低，不适用于城际列车，且对于目前的超级电容研究进展而言，短时间内增大超级电容的能量密度难度过大。而锂离子电池相对能量密度较高，且近两年能量密度、温度适应性及安全性等性能不断提升，逐渐应用于城市轨道交通储能中。锂离子电池在城市轨道交通的主要应用模式有[2]：①作为第二动力牵引源，配合燃料电池或其他动力源，调整电池出力从而提高供电效率，并且在制动时回收制动能量；②作为列车辅助电源使用；③作为有轨电车车载储能，无需牵引供电网，减少建设成本，提高城市美观；④作为备用电池用于地铁自牵引，在车辆供电故障时将车牵引至站点疏散乘客；⑤在地面储能中解决变电站容量不足问题。

目前，已经有部分城市轨道车辆或城际车辆应用锂离子电池作为车载储能。2017年日本EV-E801系列车车载360 kWh锂离子电池，可在交流电气化区间和非电气化区间运行。2018年，Alstom公司推出了新一代有轨电车 Citadis X05，其特别之处在于安装了Alstom的SRS充电系统和Citadis Ecopack能量存储系统，新的充电和能量存储系统使得有轨电车可以在无接触网条件下运行。Siemens公司开发了 Sitras HES技术，并将其用于Combino Plus有轨电车，Sitras HES混合储能系统由超级电容器和蓄电池组成，在牵引工况下，车辆由架空线供电，在制动工况下，再生的电能有1/3反馈到架空线，1/3被储能系统吸收，1/3用于车上的辅助设备，可实现30%的节能。在中国，2016年11月，以锂离子电池动力包为牵引动力的空中悬挂式轨道列车在成都正式挂线运行；2018年 InnoTrans展会上，中车青岛四方机车车辆股份有限公司发布了新一代碳纤维车体地铁车辆“CETROVO”，将动力蓄电池技术应用于该地铁列车，动力电池在兼顾制动能量回收的同时，可以实现无接触网供电下的自牵引及辅助系统供电等功能。电池系统采用钛酸锂电池，整车配置电量75 kWh，可为车辆提供牵引动力行驶15 km[3]。

针对目前轨道交通中主流的钛酸锂电池储能，笔者从钛酸锂电池的发展、钛酸锂电池的主要性能特点探讨钛酸锂在轨道交通车辆的适用性问题，并指出目前成组方面锂离子电池主要应用模式和相对于其他储能元件的特殊性，最后分析了钛酸锂电池应用于轨道交通中亟需解决或关注的技术难点。

1 钛酸锂电池的发展

锂离子电池是指将锂离子嵌入化合物作为正、负极的二次电池。随着国家节能环保战略的推进，锂离子电池已广泛应用于电动汽车。大规模的产业发展使锂离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命等性能指标不断提升，同时也促进了新型电池的研究和发展。

1.1 锂离子电池种类

锂离子电池种类较多，根据所用电解质分类，锂离子电池可以分为液体锂离子电池(通常所说的锂离子电池)、聚合物电解质锂离子电池和全固态锂离子电池[4]。目前广泛使用的是液体电解液电池，固态锂离子电池由于较高的安全性和能量密度成为研究的热点，但是目前还未能商业化量产；根据形状不同，锂离子电池可以分为圆柱形电池、方形电池和软包电池；根据电池正极材料分类，常见的电池包括钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元电池(镍钴锰或镍钴铝)等；还可以根据所采用的负极材料分类，如石墨负极电池、钛酸锂电池、硅碳负极电池等。目前商用化比较广泛的电池主要有磷酸铁锂体系、镍钴锰三元电池体系和钛酸锂电池体系，其中三元电池和磷酸铁锂电池在电动汽车中应用比较广泛，钛酸锂电池由于目前成本较高且能量密度低，在电动汽车中应用较少，但凭借高安全性和长寿命受到轨道交通行业的青睐。

1.2 钛酸锂电池结构

锂离子电池负极材料多采用嵌锂碳材料，但是石墨电极的电位与金属锂的电位很接近。当电池过充电时，碳电极表面易析出金属锂，会形成枝晶，锂离子在反复地嵌入和脱出过程中，会使碳材料结构受到破坏[5]。

钛酸锂电池体系的正极采用钴酸锂、锰酸锂或三元材料，负极采用钛酸锂材料。与碳材料相比，钛酸锂相对于Li的电极电位高(为1.55 V)，其电化学稳定性和安全性更好。同时，钛酸锂电池具有尖晶石结构，形成了其特有的三维锂离子扩散通道。图1展示了钛酸锂晶体结构，在锂离子的鑲嵌及脱嵌过程中，晶体结构可以保持高度的稳定性，即晶格常数变化很小。钛酸锂具有十分平坦的充放电平台，即充放电循环过程中，体积变化可以忽略不计，因此钛酸锂是一种“零应变”电极材料[6-7]。

图1 钛酸锂晶体结构示意图Figure 1 Schematic of lithium titanate crystal structure

综合以上材料特征，钛酸锂具有以下独特的优越：①在锂离子嵌入-脱出的过程中晶体结构能够保持高度的稳定性，使其具有优良的循环性能；②在低温下减少析锂风险，一方面能够在低温下大电流充电，另一方面具有高安全性；③特有的三维通道使钛酸锂电池具有较好的倍率特性，可适用于大功率快速充放电场合。

1.3 主要生产厂家及技术特点

国外比较知名的钛酸锂电池厂商有日本东芝和美国奥钛。中国可量产钛酸锂电池的厂家主要有中信国安盟固利动力科技有限公司、湖州微宏动力系统有限公司、珠海银隆新能源有限公司、四川国创成新能源有限公司等[8]。

日本东芝集团早在 2007年就生产出以钛酸锂作为电池负极的锂离子电池，如图2所示，称其为超级充电离子电池(super charge ion battery，SCiB)，并且该电池能用仅仅5 min时间充满90%的能量。而日本东芝集团作为开发钛酸锂电池最早的企业之一，目前集团旗下最新的 SCiBTMSIP系列钛酸锂电池在安全性、充电速度、循环寿命、低温性能以及放电深度等方面都有不俗的表现。

图2 东芝钛酸锂电池Figure 2 Lithium titanate battery of Toshiba

在中国厂商中，中信国安盟固利动力科技有限公司目前钛酸锂电池的产品规格较多，根据不同的应用场合有较多选择，该公司能量功率型25 Ah的钛酸锂电芯产品(如图 3所示)装载于青海德令哈有轨电车，是目前海拔最高的有轨电车路线。微宏的主要产品由第一代LpT发展到第二代LpCO快速充电电池，10 min内可完成快速充电。中国另一家钛酸锂电池厂商是2010年收购了当时拥有先进技术的美国奥钛公司51%股份的珠海银隆新能源有限公司，在吸收消化奥钛公司的先进技术之后，珠海银隆公司开始投产钛酸锂电池(如图4所示)，银隆将钛酸锂电池应用于新型纯电动公交车，解决公交车快充问题。四川国创成也专注于钛酸锂电池的研发与生产，完成的新能源矿车DF45E在复杂矿区工作，实现了50%～70%的节油率。

图3 盟固利25Ah钛酸锂电池Figure 3 25 Ah lithium titanate battery of MGL

图4 银隆钛酸锂电池Figure 4 Lithium titanate battery of Yinlong

1.4 钛酸锂电池在轨道交通中的应用

在 2018 年柏林轨道交通技术展览会上，中国中车展出的新型混合动力调车机车和新一代碳纤维地铁均将钛酸锂电池应用于动力系统，这标志着钛酸锂电池技术已成为轨道交通的新趋势。随着车辆步入绿色智能的新时代，钛酸锂电池将会在调车机车、高铁、有轨电车、地铁和厂矿自备车上获得更加广泛的应用。

1) 国铁调车机车。钛酸锂电池可作为动力电源应用在调车机车上。既有的国铁调车机车普遍存在柴油机空载油耗高、能源浪费严重、废气排放量大及噪声污染严重等共性问题。目前中国中车已开始研制3 000马力(1马力=0.74 kW)节能环保型调车机车，机车采用“钛酸锂电池+柴油机”作为动力系统，以电池作为主动力源，柴油机辅助充电。该车型在绿色环保、节能、减排、降噪等方面更具优势，对当前中国铁路调车机车技术升级、更新换代具有重要意义。

2) 高铁。钛酸锂电池可作为辅助电源，保障高铁的运营安全，也可作为备用动力电源，实现无网自走行功能。目前350 km/h标准化动车组已使用高安全性的钛酸锂电池替代镉镍电池作为辅助电源，如京张高铁采用钛酸锂电池作为备用动力电源，可无网自走行20 km，为冬奥会的顺利举办增加了一份保障。

3) 有轨电车。钛酸锂电池可作为动力电源应用在有轨电车上，目前有轨电车的供电模式分有网和无网两种。目前在研的常州有轨电车TI线就选用了钛酸锂电池方案，单程12.7 km，仅需在首末站充电4 min即可实现运行。

4) 地铁。昆明地铁 5 号线车辆辅助电源系统选用钛酸锂电池，每列车的辅助电源配置两组蓄电池组，并联为110 V 辅助负载提供应急电源。列车在无网压时，辅助蓄电池组系统的容量应能够供给列车内部应急照明、应急通风、应急显示、维修用电、通信及其控制等应急辅助负载工作 45 min，并保证列车开/关一次车门；同时也需满足车辆在基地内自牵引2 km的功能要求(仅保证基本的DC 110 V负载工作，此时辅助蓄电池系统AC 380 V输出)。

5) 厂矿自备车。钛酸锂电池可作为动力电源，应用在机车、工程车和公铁两用车上。与柴油机驱动相比，锂电池驱动的新能源车不仅实现零排放，满足国家日趋严格的节能减排要求，而且能够降低运营费用(耗能成本低/免柴油机养护/免油库维护)，全寿命周期成本更低。与电网驱动相比，不仅大幅节省建设费用，而且不受隧道等特殊路况限制，具有更好的适应性。在“绿水青山”和“最后一公里”等政策的推动下，厂矿企业对绿色环保的新能源车的需求将不断加大。

2 钛酸锂电池性能特点

由于城轨列车具有无污染、客运量大、速度快、启停频率高等特点，因此城轨列车的车载储能系统需具有以下特点：①较高的能量密度；②较高的功率密度；③自放电率小；④循环寿命长；⑤造价低廉；⑥安全可靠；⑦充放电效率高[9]。

传统的铅酸电池和镍镉电池成本较低、安全性较好，同时技术比较成熟，被大量应用于轨道交通的辅助供电系统中，但这两类电池能量密度很低，且含有重金属元素，正被逐渐取代。镍氢电池每项性能都处于中等水平，但自放电率太高，不适合用作大容量储能元件。锂电池是新兴高性能电池的代表，其能量密度、充放电寿命、自放电率都要优于传统电池。在各种不同类型的锂电池中，三元、磷酸铁锂、钛酸锂电池比较具有代表性，其主要性能参数见表1。

表1 各种锂电池关键性能参数比对Table 1 Comparison of key performance parameters of various lithium ion batteries

综合所有指标来看，钛酸锂电池无论是循环寿命、充放电倍率以及安全性都有着较大的优势。因此，钛酸锂电池更加适合作为城市轨道交通的车载储能系统。其中，钛酸锂电池的优点可以概括为以下4个部分[10]。

1) 安全稳定性好。钛酸锂负极材料嵌锂电位高，在充电的过程中可以消除析锂对其产生的影响，并且钛酸锂的平衡电位要高于大多数电解质溶剂的还原电位，因此避免了和电解液之间发生反应，不会形成SEI膜，同时避免了许多副反应，因此很大程度上提升了钛酸锂电池的安全性。安全稳定性也是轨道交通中最为重要的指标。

2) 快充性能优异。充电性能也一直是用户特别关注的发展方向，太长的充电时间是阻碍电池发展的关键因素。对于相同容量的锂电池，钛酸锂电池的充电性能要明显优于传统的锂电池，如图5所示，8C倍率仍可充入电量80%以上，该性能可满足车载储能站内快速补电的需求，假设在首末站以 8C倍率充电，可实现4.5 min充电60%。

图5 钛酸锂电池不同倍率充电Figure 5 Different rate charging curves of lithium titanate battery

3) 循环寿命长。与采用的石墨作为负极材料的锂电池相比，钛酸锂材料在充放电嵌脱锂过程中，骨架结构几乎不发生收缩或膨胀，被称为“零应变”材料，避免了一般电极材料脱/嵌锂离子时晶胞体积应变而造成的电极结构损坏的问题，因而具有非常优异的循环性能[11]。目前钛酸锂电池的循环寿命超过10 000次，如图6所示，适用于作为动力源时频繁充放电的工况。

图6 钛酸锂电池循环寿命Figure 6 Cycle life of lithium titanate battery

4) 耐宽温性能良好。普通的锂离子电池在温度低于–10℃时，充放电性能就会受到影响，尤其是石墨负极电池在低温充电时易产生析锂从而引发电池安全问题。而钛酸锂电池对于温度的适应性强，在–40℃到70℃均可正常充放电，具有较好的耐宽温性能[12-13]，可应用于国内大多数区域。

3 钛酸锂电池成组技术

为了达到一定的电压、功率和能量等级，轨道交通用锂离子电池系统都是由电池单体通过串、并联的方式组成电池模块，再由电池模块最终组成车辆的动力电池系统[14]。串联是为了提高工作电压，并联是为了增加输出电流来获得更高的容量，无论是串联还是并联，锂电池组的输出功率都增加。使用串并联结合的方法可以达到高电压高容量标准，满足轨道交通储能需求。

3.1 主要成组方式

1) 先并后串电池组拓扑。该拓扑首先将电池进行并联，达到一定容量后，再将并联电池组作为单体电池串联，从而达到一定的电压等级，如图7(a)所示。这种结构的主要优点是成组简单，能解决单体容量不足的问题[15-16]，成组工艺与单体直接串联相近，因此目前广泛应用于电动汽车领域。但是，轨道交通大容量的应用特点，并联数量过多时会因电流过大造成成组困难。

2) 先串后并电池组拓扑。先串后并拓扑目前主要应用在大容量储能领域，如图7(b)所示。当电池并联数量过多时，电池的连接母排，线束都要考虑大电流带来的发热及损耗问题从而增加了成组难度，因此部分场景通常采用先串后并的方式解决此问题。这种拓扑的优点为多组并联，提高了供电的冗余可靠性；但是由于每簇均需要电池管理系统单独控制，因此增加了电池包的成本，另外，多簇电池在压差较大时无法直接并联，因此增加了电池簇投切的控制难度。

图7 锂离子电池主要成组方式Figure 7 Main grouping methods of lithium ion batteries

3.2 电池管理技术

与铅酸电池与镍镉电池相比，锂离子电池本身抗滥用能力偏差，在过充过放后会极大缩短电池的使用寿命，引起性能的极度劣化。在极端情况下，锂离子电池在短路、过充、过放、高温等条件下极易引起热失控的发生，因此锂离子电池通常需要加装电池管理系统实现对电池的保护和充放电控制。即使是安全性高的钛酸锂电池，通常也会通过电池管理系统实现安全充放电和高效能量利用[17]。

电池管理系统主要功能如图8所示，一方面保证电池的安全、合理使用，防止电池出现过充、过放、过温等情况；另一方面，需要通过电池管理系统采集电池单体电压、温度、总电流和总电压等数据，对电池的状态实时监控，并通过SOX的估算，实现电池系统充放电功率的管理。在系统功能方面，电池管理系统还应具备对电池故障的实时分析能力，对故障进行准确的预警和报警，并上报故障位置。同时电池管理系统与整车或上一级系统实现数据通信，实时接收整车的运行状态，并上传电池状态数据[18]。

图8 电池管理系统的主要功能Figure 8 Main functions of battery management systems

钛酸锂电池管理系统实现了对电池的精细化管理，避免了将串并联后的电池组看作一只“大电池”进行识别，降低了电池组滥用和不合理使用的概率。并且，通过监控单体电池，电池管理系统实现整组电池的状态估算，完成对电池状态的实时监控和故障诊断，并将具体信息通过 MVB或以太网等通信方式传输到整车或 TCU，更有助于整车对电池系统的能量控制，延长电池使用寿命，提高能量利用率。作为电化学储能单元，电池组单体的不一致性、电池衰退的随机性和不确定性必然存在，单体电压的采集更有助于实现对电池组一致性评价和针对长寿命特点的全生命周期健康管理。

4 当前研究热点及展望

目前，钛酸锂电池因长寿命、高安全性、宽温度范围等优点已经成为城市轨道交通储能的选择之一，但随着钛酸锂电池在城市轨道交通中的广泛应用，电池寿命、全寿命周期健康管理及经济化运行逐渐成为研究的热点。

4.1 钛酸锂电池寿命评估问题

钛酸锂电池具有长寿命的优点，但是在电池组设计阶段及运行阶段，需要对电池的寿命进行评估及预测，同时需要搭建寿命模型用于全生命周期的健康管理及能量管理[19-20]。

钛酸锂电池作为一种电化学元件，其衰退轨迹依赖老化路径，即运行中的使用工况。在电池组设计初期，通常需要对电池进行寿命测试，从而评估电池寿命问题。但是，一方面钛酸锂电池寿命较长，循环测试的时间成本过高；另一方面，由于使用工况不同，通常无法大批量测试各种工况条件下的衰退情况从而进行寿命评估。

因此，目前亟需电池寿命快速测试方法，在短期少量实验数据中，获取耦合工况下电池的衰退特征。目前，主流的方法是通过加速应力测试，加速电池老化过程，从而减少测试时间，但是此加速应力下电池的老化机理和常规衰退时不同，因此通常寿命预测准确率较低。因此，目前部分学者采用单应力测试数据，结合机器学习的方法，实现短时数据预测长时间寿命[21-22]。

4.2 车载储能系统优化匹配及高效能量管理研究

为满足轨道交通车载储能系统低成本、轻量化、高效能、智能化的需求，车载储能系统优化匹配及高效能量管理技术是需要攻克的关键问题。主要包括构建城轨列车典型工况、搭建城轨列车全数字仿真平台、研究全寿命周期成本最小匹配方法以及高效能量管理技术4个方面[23-24]。其中，分析城轨列车的运行特点以及运行需求是优化车载储能系统配置参数及高效能量管理的前提。而典型工况可以涵盖城轨列车的特征，对其进行深入研究将有利于设计出低寿命成本以及高性能的城轨列车，同时也为车载储能系统的测试提供实验依据。

城轨列车全数字仿真是研究车载储能系统优化匹配及高效能量管理的模拟平台。准确且快速的数字化模型，将会大大缩短城轨列车的研制周期，减少开发成本，规避各类故障。同时，数字化仿真平台将能快速地计算出各种性能指标参数，为进一步的参数匹配及能量管理研究提供计算平台[25-26]。

车载储能系统的优化匹配以及高效能量管理技术是研发城轨列车的核心。不合理的匹配将会造成城轨列车全寿命周期成本的增加、各项动力性能指标的下降、能源利用率的下降以及车载储能系统寿命的缩短。然而，目前针对城轨列车的匹配方法和能量管理还欠缺一套完整的设计体系。因此，对该问题进一步的研究将有利于城轨列车低成本、高效能以及智能化的推进。

4.3 基于离线/在线的全寿命周期电池数据分析

轨道交通应用的储能系统对储能元件在严苛环境下的高效性、安全性有着较高的要求，因此在储能系统的监控和管理方面需要高冗余度和高可靠性。并且，钛酸锂电池具有长寿命的特点，其寿命的评估需要以月甚至以年为周期的运行数据，短时的评估和预警通常无法正确描述电池的实际健康状态，这就需要管理系统储存历史数据并进行大量运算[27]，但受制于成本、体积等要求，在线管理系统很难满足储能元件准确评估的需求，因此，建立数据分析平台，依托在线实时数据存储和大量离线历史数据的计算来弥补在线管理系统的不足，是钛酸锂电池系统不可缺少的一部分。

钛酸锂电池数据分析的目标是利用海量历史数据，通过原始数据深入挖掘内在的电池特性，对电池的性能、寿命和安全状态进行评估和预测，实现电池“定期维护”转为“状态维护”，同时实现电池的故障诊断和安全预警，为电池健康管理、异常管理和智能保护控制提供决策依据，提高电池储能系统运行的安全性与可靠性，提升储能系统的利用效率[28]。电池数据分析的主要作用概括为以下几个方面。

1) 电池参数监测与 SOC、SOP估计修正。由于钛酸锂电池通常需要大功率充放电，因此对电池系统的SOC和SOP的估算尤其重要。基于工况运行数据或充电数据，更新电池模型参数，可以对电池SOC、SOP进行定期修正，提高全寿命周期电池SOC和SOP的估计精度和鲁棒性。

2) 电池健康状态评估及预测。在城市轨道交通应用中，钛酸锂电池系统通常要确保8年甚至于8年以上寿命，后台数据的分析可用于量化评估电池的老化状态，包括电池的老化模式及老化程度，并对后续电池寿命健康程度进行预测，为电池耐久性优化管理和维修维护提供决策依据。

3) 电池组一致性判断与约束性电池识别。基于电池充电曲线，利用曲线相似性、OCV-SOC对应关系等方法，可以对电池组容量、SOC、内阻一致性进行评估，确定电池组一致性，为检测和维护提供决策依据。基于历史数据，采用离群点检测等方法，可以确定劣化严重的电池单体，并给出电池劣化原因，为电池检修和更换提供依据。

4) 电池系统故障诊断与安全告警。通过在线检测锂离子动力电池的充放电电流、单体电压、电池组总电压及环境温度等数据，并根据这些数据对锂离子动力电池可能存在的故障进行判断，给出相应的处理措施，避免其发生严重故障和事故[29-30]。

5 总结

随着储能技术的不断成熟和中国节能环保的战略需求，钛酸锂电池凭借其高能量密度(相比于超级电容)、大倍率性能、长循环寿命、高安全性等优点将会逐步在轨道交通车辆中推广应用。笔者综述了钛酸锂电池的发展、性能特点及应用场景，着重分析了钛酸锂电池在轨道交通中的适用性；从成组方式和电池管理系统两个层面阐述了钛酸锂电池成组过程中的应用特点；最后，面向钛酸锂电池的寿命评估、车载储能的优化匹配及高效能量管理、基于离线/在线的全寿命周期电池数据分析方法，提出了对未来研究方向的展望。