磷酸铁锂电池的优势及其性能对比分析

林鹤 马亮 王全恒 杜孟强 王天航

摘要：磷酸铁锂电池是一种新型高能量密度锂离子电池，具有高安全性、可靠性和耐用性等特点，已经成为轨道交通替换铅酸电池的新选择。以青岛地铁2号线辽阳东路车辆基地供电专业直流屏电源用磷酸铁锂电池为例，对比分析铅酸电池与磷酸铁锂电池在我国轨道交通中的性能、运维及安全等技术要素，阐述该方案可以成为城市轨道交通蓄电池选型的新途径。

关键词：铅酸电池；磷酸铁锂电池；绿色城轨；浮充；运维；安全

中图分类号：U461  收稿日期：2023-09-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405028

1 应用背景

青岛地铁2号线从2017年12月开通至今，电源系统中使用了大量的铅酸蓄电池，存在鼓包漏液、极柱腐蚀、内阻增高等问题，有起火冒烟的安全隐患，加上铅酸电池体积大笨重寿命短、更换困难、无蓄电池监测系统等，使得蓄电池运维管理费时费力、运维难、效率低、成本高。青岛地铁运营公司一直在寻找性能更优、系统更完善、安全性更高的新型蓄电池系统的解决方案［1］。

近年来，随着国家新能源产业的崛起，磷酸铁锂电池凭借体积小、安全性高、绿色环保、免维护等特点，在电动汽车、公交、电力、银行、数据中心、轨道交通等领域广泛应用。同时国家“双碳”政策体系的构建，青岛地铁也出台了一系列绿色城轨的政策，提倡使用绿色能源产品，因此青岛地铁运营二中心在辽阳东路车辆段牵混所对磷酸铁锂蓄电池进行试用研究，選用了一套ES217V100Ah的磷酸铁锂电池系统，如图1所示。

2 铅酸电池被替代的必然性分析

a.从蓄电池性能来看：铅酸电池存在重、体积大、占用面积大、能量密度低、含铅不环保、气体复合效应对温度敏感、循环寿命短等诸多短板，长时间使用会因极柱腐蚀导致内阻增高，存在安全隐患。铅酸电池质量比能量为35～40 W·h/kg，远低于市面上的锂电池，被高性能替代是必然。

b.从蓄电池发展角度来看：蓄电池经历铅酸电池、镍镉电池以及现在的锂电池、燃料电池、钠离子电池等，蓄电池朝着能量密度越来越高、越来越环保、安全性能越来越好、蓄电池管理越来越完善的方向发展。因此铅酸电池被替代也是蓄电池技术发展的必然。

c.从运维管理角度来看：首先，铅酸电池成组结构为串联结构，因内阻一致性问题，单节出现问题需要整组更换，由于笨重，更换需要大量人力物力；其次，铅酸电池依赖第三方检测装置，日常运维需要清灰、电压测量、内阻测量、观看爬酸漏液状态等，数量越多维护量越大，运维成本越高。铅酸电池循环寿命低，差不多3～5年需要更换一次，胶体电池6～8年更换一次，整体而言铅酸电池运维效率低、运维成本高、智能化程度低。

d.从安全角度来看：铅酸电池外壳为ABS材质，遇明火易燃且产生浓烟，热失控会导致连锁反应；铅酸电池因极化腐蚀会导致内阻增高，存在安全风险；铅酸电池对温度敏感，有气体复合效应，其气体有毒有害，现场需要有良好的通风散热环境。

因此，铅酸电池因自身性能差、运维管理难成本高、安全性能差且国家支持力度低等因素，其被替换是必然结果，符合蓄电池技术发展的自身规律。

3 蓄电池选型参考分析

在目前主流的锂离子电池中，主要有磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、钛酸锂电池等。钴酸锂电池具有较高比容量，但安全性最差，且成本高、寿命相对较短；锰酸锂电池成本低，但其材料本身不太稳定，容易分解产生气体，且高温性能较差，电池温度不能超过80 ℃，其循环寿命衰减较快、寿命相对较短，这两种结合其优点常常被用作锂电池生产的原材料，因此锂电池主要看三元锂电池、磷酸铁锂电池及钛酸锂电池。

三元锂电池（镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂）比容量高，但其防起火安全性和高成本方面存在较大的负面影响。

钛酸锂电池具有高安全、长寿命、耐温宽等特点，但钛酸锂电池仍未完全解决充气臌胀问题，高温下影响电池性能的发挥，一致性也比较差且钛酸锂能量密度低于其他锂电池，这些缺陷限制了钛酸锂电池的广泛应用。

磷酸铁锂电池的比容量低于三元，但其安全性能优异，即使在高温下仍可保持较稳定的结构，因此磷酸铁锂电池安全可靠，即使电池出现变形损坏时也不会出现冒烟、起火等安全事故；磷酸铁锂原材料资源丰富，极大降低了蓄电池的使用成本。相比三元及钛酸锂电池，磷酸铁锂电池综合性能最优［2］。

综合上述分析，城市轨道交通蓄电池选择优先考虑安全，其次性能、运维、管理等方面，磷酸铁锂电池具有高安全、环保且免维护，是所有锂电池中最适合城市轨道交通应用场景的蓄电池。上海、北京区域地铁批量应用磷酸铁锂电池系统，特别是上海，有10余年应用历史且涵盖地铁各个专业电源系统，从全生命周期来看，其蓄电池成本低于铅酸电池。因此，磷酸铁锂电池是目前替代铅酸电池的最佳选择。

4 新旧蓄电池性能对比分析

青岛2号线辽阳东直流屏系统原有蓄电池为艾诺斯Genesis系列蓄电池，共18节，单节为12 V、150 A·h规格，改造后增加一套217 V、100 A·h的磷酸铁锂电池系统，两套互为备用。

41 性能对比

表1所示为磷酸铁锂电池和铅酸电池在性能参数上的对比，可以看出：

a.两者在实际使用中均采用了机柜式安装方式，实际占地体积相等（磷酸铁锂电池机柜还有空余空间，铅酸电池机柜基本满载），但从单体规格来看，磷酸铁锂电池单体电压高于铅酸电池，在体积能量比和质量能量比上均高于铅酸电池。

b.在重量上，磷酸铁锂电池的整体重量约为铅酸电池的一半。

c.在单节电池容量上，铅酸电池150 A·h和磷酸铁锂电池100 A·h，从实际核容放电来看，两者均满足3 h备电的设计需求（铅酸电池早期可以满足，现使用已久容量已无法满足），也体现出磷酸铁锂电池放电倍率高于铅酸电池的优势。

d.在温度范围，铅酸电池因化学反应产生气体且受温度影响大，温度高时易产生副反应。而磷酸铁锂电池可以在55 ℃下释放90%以上能量，因此其温度范围更广。

e.在环保性能上，铅酸电池含铅属重金属污染，国家已经开始征收消费税，而磷酸铁锂电池是公认的绿色环保电池，其环保性能更好，符合“碳中和”“碳达峰”等要求，后续蓄电池均注重环保性能。

f.在自放电上，铅酸电池自放电率高于磷酸铁锂电池。

g.在放电倍率上，基于温升对蓄电池循环寿命影响，铅酸电池在实际放电倍率均不会超过05 C，辽阳东直流屏实际负载电流为30 A左右，其电池放电倍率为02 C。而磷酸铁锂电池从规格书可以看出，最高支持25 C的放电倍率，从辽阳东实测数据来看，其放电率约为03 C，高于铅酸的放电倍率。

h.在循环寿命上，铅酸电池标称寿命为6～8年，实际使用过程为5年左右，其容量衰减严重，80%DOD的次数为500～600次，其循环寿命远低于磷酸铁锂电池的10～15年及2 000次以上。

综上对比表明，在蓄电池性能上，磷酸铁锂电池能量密度高、绿色环保、更安全、循环寿命更长、工作环境温度范围更宽，比铅酸电池更能适应地铁的实际应用环境。

42 运维对比

在日常维护中，铅酸电池常裸露放置，长时间易积累灰尘，不及时清理会影响供电及因发热引发安全隐患，因此铅酸电池维护需要对环境进行检测，对本体清灰，检测本体是否有爬酸漏液情况以及电池本体的内阻检测、电压检测等检测。因早期蓄电池未配置巡检仪，完全靠人工检测判断故障，人工测量繁琐有触电风险而且还会出现人为测量误差，效率低。而磷酸铁锂电池自带完善的电池管理系统，只需要查看电池管理系统的运行状态告警信息就可以实时看到每个单体的详细运行状态以及告警信息，集成的传感器检测精度更高，效率更高，密封的电池本体无须清灰处理，配合远程平台进行曲线分析故障预警，真正实现免维护，无形中节省大量的维护成本［3］。

磷酸铁锂电池为串并联结构，组装方式灵活多变，支持新旧混用。而铅酸电池不支持直接并联，当某一只出现故障时需要进行整体更换，这主要是由于铅酸电池组需要保持电池内阻一致性缘故。内阻不一致会导致部分电池过充而部分电池未充满，过充会引发安全事故，内阻差异大也会导致电池循环寿命的衰减，在实际维护中各个厂家也不建议新旧混用。因此无论其带巡检仪还是不带巡检仪，都只是实现设备的监控功能，都无法做到精确管控每个单体。而磷酸铁锂电池自带的管理系统可以精准管控每个单体电池，通过主动均衡和被动均衡将电池容量电压保持一致，延长蓄电池的浮充寿命。通过对BMS设计可以实现对蓄电池的充放电控制，因此磷酸铁锂电池在实际使用中其循环次数会超过3 000次。铅酸电池由于笨重，地鐵的蓄电池机房设置在地下层，需要人工搬运电池，因此系统越大电池数量越多，需要搬运的人力更多，维护成本更高。

因此，磷酸铁锂电池拥有完善的电池管理系统，可以全面监管蓄电池运行状态。从实际运维管理节约大量的人工成本，降低了运维成本，设备轻巧更换容易，也有助于提升管理效率。电池管理系统具备丰富的接口，支持远程管理及信息上传，可真正实现无人化值守，推动蓄电池智能化管理进程。

5 结语

目前，大量实际应用验证了磷酸铁锂电池完全可以替代铅酸电池，磷酸铁锂电池无论是其自身性能、环保性能，还是安全性能都胜于铅酸电池。2022年青岛地铁发布《绿色城轨发展实施方案》，以绿色转型为主线，节能降碳为重点，智慧赋能，创新驱动，建设绿色城轨，实现碳达峰碳中和目标。辽阳东磷酸铁锂电池系统应用为绿色城轨蓄电池改造提供样板，为蓄电池选型提供参考。绿色城轨是一个任重道远的目标，需要不断推出更加高效、节能、环保的绿色城轨交通技术，建立健全监管机制，探索城轨交通综合管理模式，才能真正实现城市绿色出行的一体化。

参考文献：

[1]宋麟，李继元磷酸铁锂电池在铁路通信领域中的应用[J]通信电源技术，2019，36（S1）：62-65

[2]汪伟伟，丁楚雄，高玉仙，等磷酸铁锂及三元电池在不同领域的应用[J]电源技术，2020，44（9）：1383-1386

[3]李玉昇，何茜，张瑜通信用锂电池安全设计与应用探讨[C]//2020年中国通信能源会议论文集北京：中国通信学会，2020：5

作者简介：

林鹤，男，1990年生，工程师，研究方向为地铁供电系统。