模块锂电池在轨道交通应用发展

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中国铁路的发展是一个传奇，从詹天佑建造第一条轨道，迄今已有百年历史，新中国建立之后，铁路的发展才进入黄金时期，当铁路全面进入电气化的时候，电池的应用日益重要。特别是近15年，中国铁路已经全面进入高铁的时代。

截至2015年年底，中国铁路营业总里程达12.1万公里，规模居世界第二；其中高速铁路1.9万公里，位居世界第一，全国铁路复线率和电气化率分别达到53.5%和61.8%。

即使如此，今天中国的铁路包括，城市轨道交通，其后备电池所采用的依然几乎全部是传统电池，以铅酸电池和镉镍电池为主。

大家也许不知道轨道交通是电池应用的一个巨大市场不管是传统铁路高铁，甚至是城市地铁轻轨，每列车下都是成吨的电池。

在高能量密度节能环保的锂离子二次电池风靡全球的今天，电动大巴几乎都是用锂电池作为驱动动力，那么为什么这种新的技术迄今为止没有被铁路部门规模沿用呢，原因是多方面的，下面笔者就结合自己的亲身经历讲述一下，轨道交通锂电池应用的大概历史。

中国铁路部门使用电池，可分为三个阶段。

第一阶段就是传统电池应用阶段

早期的轨道交通电池设计简单，一般以24伏系列为主，电池应用中主要用于各种应急照明及，通风供电系统，也有内燃机车的点火系统，结构粗躁单一，由于铁道部体系相对封闭，管理严格，当时全中国，只有有限的几个国营老牌国营企业提供产品，如新乡755厂，绵阳756厂。

第二阶段镉镍电池的应用

在中国铁路开始全面进入电气化的时代，电池的需求和要求开始提高，由于许多技术依托于国外的进口伴随者镉镍电池进入中国铁路市场，镉镍电池在其技术特性低温性能等方面具有较大的优势，很快，中国的铁路车辆部门开始大规模使用，但是镉镍电池也有几个很大的缺点，主要问题来自于他天生的记忆效应，在铁路常态的浅充浅放工作状态下，该电池必须在六个月左右从车辆上拆下来进行消除记忆效应的维护工作造成了大量的人力物力消耗。另外就是电池的剧毒性，对操作人员身体的伤害很大，同时镉镍电池没有回收价值，日积月累，成为主要的污染源，图为青岛某车辆段，废旧电池的堆积场。

第三阶段动力锂电池的尝试

锂电池正式在铁路上的应用要从2007年说起, 由上海铁科院率先实现锂电池轨道交通的装车，当时仅仅是学术性的研究，用大量的笔记本电池电芯组成了一个简陋的系统，装载在普通客车上，并没有获得广泛的关注，这可以说是中国铁路最早的一次锂电池应用尝试

首次大铁的实验

2008年，中国最早的动力锂电厂家苏州星恒电源有限公司组队成立铁道专用电池应用技术团队，并成功的在郑州铁路车辆段，青岛到新乡的一列车上，采用最新的磷酸铁锂电池实现了装车试验，获得了成功，走出了动力锂电池进入轨道交通的第一步。

首列高速检测车

此次试验之后获得了铁道部的关注，由唐山轨道交通股份有限公司通过科技部立项，对一列CRH400公里的高速检测车，进行全车动力锂电池装车实验，获得了成功，重要的是整车减重18吨。从2009年迄今，电池一直保持良好状态。同时的问题是成本非常高，系统极其复杂，大量的智能元器件的应用，使整套系统，电荷保有能力下降，也就是漏电现象，平时行驶过程中还不明显，一旦车辆进入检修期，脱离常态充电一段时间，电量下降很快，考虑到锂电池管理的必须性这个问题，始终未能解决。

地铁车辆的应用

2010年，技术团队成功地在南京地铁十线装车，并获得成功，随后配合株洲电力机车厂地铁车辆公司设计地铁锂电池系统。实际上遇到了一个相同的问题，那就是锂电池的使用太复杂。项目搁浅。

低速磁悬浮列车

同年再接再励，由北控集团主导的中国低速磁悬浮列车再次安装了动力锂电池，由于磁悬浮列车没有轮轨，电池的作用是在应急状态下维持车辆悬浮5到10分钟，提供紧急制动的时间，在这个项目上，锂电池的轻量化发挥了重要作用，为了维护复杂车辆系统，相关部门几乎没有能力自行维护，尽管有不少问题，最终还是选择了锂电池。

新型能源车

在随后株洲电力机车厂的超级电容车，电电混动机车，均使用锂电池做了设计备案当然种种原因最终没有全面采纳，主要原因还是来自于锂电池管理的复杂。

原始技术团队经过多次的重整，先后经历了三次变更，一直保持着默默的开发工作，始终维持一个愿望，希望中国的铁路全面使用价廉物美性能超卓的动力锂电池。

那么到底是什么制约了动力锂电池在轨道交通的应用，我们一条条分析一下。

　　

关于性能

与传统电池相比三倍以上的能量密度，99%的充放电效率，优良的放电平台，良好的浮充性能，超长的使用寿命，无论哪一条，都是优势。

关于安全性

动力锂电池从诞生之初安全的管控就是每一个厂家最重视的事情，现在的UL,安规标准来衡量，安全性能并不输于传统的铅酸电池和镉镍电池。在最早的设计中，电池就是模块化设计的，并没有将大量的能量堆积在一起，安全性是得到保障的。

关于成本

很多人认为锂电池的成本过高，事实上，作为铁路这种公共安全为主导的部门，其选择的产品安全性是放在第一位的，验证成本本身就很高，有人开玩笑一个普通的挂钩，民间可能就是几块钱的成本放在铁路配套部件里，起码翻倍。传统电池在铁路的系统可靠性要求及设计成本，比民间同类产品高不少，动力锂电池的实际装车成本并不比传统电池高，事实上还要略低，如果能有效的解决系统管理，那么这就不是成本的问题。

关于流程环节

从2008年开始，动力锂电池所有的验证手续及测试环节均已顺利达成并组织了铁路部门重要技术人员的相关鉴定会。

后来事实证明真正的原因，恰恰是电池应用的便捷性无缝替换性，铁路部门是一个相对传统的行业很难做到为锂电池的设计更改他原有的供电体系，而让娇贵的锂电池，完全适应铁路现有的系统，这就提出了一个很严峻的挑战。

总结下来，只有把锂电池设计的像传统电池一样才能最低成本的最简单可靠的方式，实现无缝替换为铁路提供服务。

自由模块锂电池时代的来临

2016年一种双脱桥机械保护开关出现，原本用于电力，电网系统的一款无源开关，阴差阳错的为动力锂电池自由模块化设计，提供了基础，唤醒了这支技术团队的梦想，团队原始成员，现任上海恒动汽车电池有限公司负责人陆文周及技术骨干白雪平，与京藏技术团队共同合作，成功完成了自由模块的设计，以25v平台作为基础模块单元，可进行高电压自由串并联无线系统应用，并率先在重庆江北首台套储配一体化微电网储能站，完成了验证不仅是电池储能进入模块化，货架化的时代，也为下一轮的轨道交通电池应用打下了坚实的基础。

中车集团曾经参与，最早的动力锂电池，轨道交通应用的一些老工程师也积极参与了项目的评估，开始新一轮的地铁应用实践。我们预祝动力锂电池在轨道交通的事业获得成功。

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