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    地铁机电设备蓄电池性能比较及应用研究

    时间：2023-01-29 12:15:07来源：百花范文网本文已影响人

    李汉伟

    （中铁四院集团新型轨道交通设计研究有限公司，江苏 苏州 215009）

    1.1 机电设备系统

    根 据《地 铁 设 计 规 范》（GB 50157—2013）[1]，地 铁工程需用到蓄电池的机电设备系统按照专业、场所基本分为以下几类：火灾自动报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、综合监控系统（ISCS）。

    火灾自动报警系统的报警控制器：一般内置蓄电池，3h 后备容量；
    FAS 图形工作站，1kW，3h，位于消防控制室（或车控室）。

    BAS 机柜：容量一般为15kW，持续时间为1h。位于环控电控室。

    ISCS 系 统 网 络 机 柜（ 含 门 禁）：
    容 量 一 般 为20kW，持续时间为1h。位于综合监控设备室。

    1.2 通信、信号系统

    通信整合UPS 电源室[2]、信号电源室。通信整合UPS，一般装机容量为80kW；
    信号集中站一般装机容量为45kW，非集中站装机容量为10kW。

    1.3 动力照明

    1.3.1 备用照明

    《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》（GB 51309—2018）实施后，一般标准站配置2 台EPS，放置在车站左右端照明配电室。总容量约为30kW，持续时间90min。蓄电池在EPS 机柜内落地安装。

    1.3.2 疏散照明

    疏散照明为车站和区间消防疏散照明供电的集中电源。一般标准站为10 台，每台容量较小，约为1kVA，持续时间3h。蓄电池均在集中电源装置内内置，挂墙安装。

    1.4 变电所操作电源

    变电所操作电源的交直流屏，也放置有蓄电池[3]。其一般要求2h 的持续供电时间，蓄电池容量约在15kW。

    综上所述，地铁机电设备使用蓄电池的一般有通信、信号、FAS/BAS/ISCS/ACS、低压配电与照明、供电等几个专业，涉及专业多，容量较大，且分不同专业和部门采购安装。若对蓄电池选用不当，易造成火灾，将影响地铁消防安全。此外，有必要对地铁各专业蓄电池选用技术标准和采购进行统一，有利于备品备件、蓄电池售后及维护。

    2.1 固定型阀控密封式铅酸蓄电池

    根据硫酸电解液的吸附方式不同，固定型阀控密封式铅酸蓄电池(VRLA)分为两类[4]：一类是采用超细玻璃棉（AGM）作隔板固定电池硫酸电解液技术的贫液式设计的AGM 蓄电池。另一类是采用硅凝胶来固定硫酸电解液富液式设计的胶体蓄电池。

    AGM 蓄电池由正极板、负极板、可吸附玻璃棉（AGM）隔板、硫酸电解质、安全阀和电池外壳等几部分组成。在AGM 蓄电池中，电解质是通过玻璃棉隔板（AGM 隔板）来固定的，电池中没有自由流动的电解液。蓄电池在充电过程中产生的氧气通过AGM 隔板中的气孔通道到达负极实现氧循环。

    胶体(Gel)蓄电池由正极板、负极板、微孔塑料隔板、胶体电解质、安全阀和电池外壳等几部分组成。在胶体蓄电池中，电解质是通过凝胶（Gel）来固定的，二氧化硅(SiO2)凝胶在硫酸电解液中的含量一般为5%左右。蓄电池在充电过程中产生的氧气是通过胶体的裂纹通道到达负极实现氧循环的。目前胶体蓄电池的隔板一般是采用专用的微孔塑料隔板，包括聚氯乙烯(PVC)或酚醛树脂类塑料隔板，其在胶体蓄电池中的作用只是用来隔离蓄电池正、负极板和防止铅枝晶短路。

    2.2 锂电池

    锂离子电池是指分别用两个能可逆的嵌入与脱嵌锂离子的化合物，作为正负极构成的二次电池，俗称“锂电”。

    锂电池由正极（LiFePO4）、中间的电解质（LiPF6）、聚乙烯隔膜及负极碳组成。当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。锂电池的检测标准目前主要有《通信用磷酸铁锂电池组第1 部分：集成式电池组》（YD/T 2344.1—2011）、《通信用磷酸铁锂电池组第2 部分：分立式电池组》（YD/T 2344.2—2015）。

    3.1 胶体电池和常规铅酸电池区别

    以下从电池结构、性能差异方面对12V 胶体电池和常规铅酸电池（包括AGM 铅酸蓄电池）列表进行对比分析，如表1、表2 所示。

    表1 胶体电池和常规铅酸电池结构差异

    表2 胶体电池和常规铅酸电池性能差异

    通过以上结构及性能差异对比可见，胶体电池的可靠性、安全性、一致性等较普通铅酸蓄电池有明显提高。

    3.2 锂电池和铅酸胶体电池的对比

    以下从重量能量密度、体积能量密度、使用寿命等角度来进行比较：

    3.2.1 重量能量密度

    目前的锂电池能量密度一般在200～260wh/g，铅酸胶体电池能量密度一般在50～70wh/g，那么重量能密度锂电池就是铅酸的3～5 倍，即相同容量的情况下，铅酸电池（即铅酸胶体电池）是锂电池的3～5倍，所以在储能装置轻量化上，锂电池占据绝对优势。

    3.2.2 体积能量密度

    锂电池的体积容量密度通常是铅酸电池的1.5 倍左右，所以相同容量的情况下，锂电池比铅酸电池体积要小30%左右。

    3.2.3 使用周期

    目前较为流行的材料体系是三元和铁锂。三元动力型锂电池循环次数通常在1000 次以上，磷酸铁锂电池的循环次数在2000 次以上，铅酸电池的循环次数通常只有300～350 次左右，所以锂电池的使用寿命是铅酸电池的3～6 倍左右。

    4.1 经济效益

    根据测算，胶体电池比普通铅酸电池的初装造价会高出20%左右。但胶体电池在使用寿命、免维护、可靠性及安全性方面均明显优于普通铅酸电池。从综合效益看，胶体电池的经济效益整体要明显优于铅酸电池。

    目前锂电池在价格上较铅酸要贵，初期投入大约是铅酸电池的3 倍左右。

    4.2 各地应用情况

    4.2.1 EPS 蓄电池

    EPS 蓄电池选用类型详见表3。

    表3 EPS 蓄电池选用类型

    4.2.2 信号蓄电池

    信号蓄电池选用类型详见表4。

    表4 信号蓄电池选用类型

    4.2.3 锂电池

    目前尚无地铁有大规模使用锂电池的使用案例，仅杭州地铁部分线路在低压配电的消防应急照明的集中电源有采用（容量较小，每个集中电源1kVA）。锂电池目前在电动汽车、通信行业的通信基站、电力行业的储能电站方面应用较多。

    地铁机电设备系统需使用蓄电池的一般有通信、信号、FAS/BAS/ISCS、低压配电、供电等几个专业。建议各专业蓄电池选型及类型宜尽量统一，可减少备品备件投资、提高通用性。

    鉴于胶体电池在使用寿命、免维护、可靠性及安全性方面均明显优于普通铅酸电池，且应用成熟，建议在地铁机电系统蓄电池选用中可予以推广应用。

    锂电池在能量密度和使用周期方面较胶体电池有较大优势，但初期投资较大，且目前尚无地铁大规模应用案例。在地铁机电设备用房压缩规模或优化用房面积时，可小范围试点使用。

    建议运营人员加强对蓄电池的维护和巡检，确保蓄电池使用安全。必要时增设蓄电池安全健康预警管理系统等在线实时监测措施。

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