現(xiàn)代導軌電車牽引電池包技術特點及實際運行故障簡析

胡壽建　錢廣民

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現(xiàn)代導軌電車牽引電池包技術特點及實際運行故障簡析

胡壽建錢廣民

介紹天津開發(fā)區(qū)新交通試驗線現(xiàn)代導軌電車所采用的 SAFT 牽引電池包的主要技術特征，并對電池包的鎳氫電池模塊、電池包控制單元（BMC）及電池包溫度管理系統(tǒng)（BTMS）的主要技術特征進行了詳細闡述。還介紹了牽引電池包實際運行狀況，梳理和總結了該電池包存在的各類典型故障，為國內其他采用牽引電池包動力模式的有軌電車線路提供借鑒和參考。

牽引電池包；鎳氫電池模塊；電池包控制單元；電池包溫度管理系統(tǒng)；運行狀況；故障分析

0　引言

隨著石油危機和環(huán)境污染的加劇，人們普遍認識到綠色環(huán)保車輛是未來地面交通的發(fā)展方向。在國內城市公共交通中，大運量的地鐵、輕軌在這幾年突飛猛進的發(fā)展；同時，在小運量的公交車中出現(xiàn)了純電動公交車。這類純電動公交車所選用的電池類型中，鋰電池、超級電容及鎳氫電池均有應用，但受限于公交車牽引功率，這類電池普遍為小功率電池，電池組電壓也一般均在 408 V 以下，大功率、電池組電壓在 500 V 以上的電池組在國內甚少應用。

天津開發(fā)區(qū)新交通試驗線為我國首條現(xiàn)代有軌電車線路。由于地形的限制，在其正線線路中存在 1 段無網(wǎng)區(qū)（220 m），因此，該線路選用法國勞爾公司生產(chǎn)的Translohr 自身帶有牽引電池包的膠輪導向電車（現(xiàn)代導軌電車）。在無接觸網(wǎng)模式下，牽引電池包可以為車輛提供牽引動力。該牽引電池包采用法國 SAFT 公司生產(chǎn)的單體達 34 A·h鎳氫電池模塊，電池包額定電壓 526 V，最大電壓 660 V。

下面將結合該型電池包的技術特征和實際運營中發(fā)生的典型故障進行介紹。

1　SAFT牽引電池包技術特征

新交通試驗線每輛 T r a n s l o h r 電車均配備 1 個 NHP10-340×44 型電池包，安裝在車輛頂部的密閉箱體內（圖1）。牽引電池包主要由鎳氫電池模塊(NHP)、電池包控制單元（BMC）和電池包溫度管理系統(tǒng)（BTMS）3 個部分組成。其具體參數(shù)見表 1。

圖1　牽引電池包在 Translohr STE3 電車位置示意圖

1.1鎳氫電池模塊

箱體內包含 44 個 10-340 型 NHP 串聯(lián)模塊，每個單體模塊均含有 10 個電池，每 22 個模塊分別組裝在 2 個插架上（圖2）。

（1）所有鎳氫電池模塊成 3 或 4 排排列，并由保護帽保護。

（2）每個單體模塊由 10 個電化學電池串聯(lián)組成，電壓為 12 V。

表1　牽引電池包基本性能參數(shù)

圖2　牽引電池包鎳氫電池模塊及插架組成

圖3　鎳氫電池模塊內部循環(huán)回路

（右邊為鎳氫電池模塊單只電池循環(huán)回路）

（3）每個鎳氫電池模塊內部都有復雜的循環(huán)回路，并與電池包溫度管理系統(tǒng)的制冷或加熱回路相連，以增加其冷卻或散熱能力（圖 3）。

（4）在連接處固定的傳感器可以測量每 2 組模塊的電壓和溫度。電壓傳感器和溫度傳感器的測量值由專用信息采集卡進行收集，并傳送給電池包控制單元。

1.2電池包控制單元

電池包控制單元（BMC）是牽引電池包的大腦（圖 4），由 24 V 供電，具有以下功能：測量模塊的電壓和溫度，測量電池包的電壓和電流，電子設備的控制和診斷，管理在電車上的充電和放電，管理外部充電器，管理和控制電池包的溫度管理系統(tǒng)。系統(tǒng)自診斷60 種報警信息并通過電車 CAN 網(wǎng)（控制器局域網(wǎng)絡）現(xiàn)場總線向電車傳輸電池包剩余能量數(shù)值、報警、充電電流等信息。

圖4　電池包管理單元

1.3電池包溫度管理系統(tǒng)

為了保證電池包模塊的性能及生命周期，維持電池包運行在最佳的溫度范圍內（20 ℃±3 ℃ ），電池包溫度管理系統(tǒng)（BTMS）由 1 個冷卻或加熱的空調機組和 2 條分別充滿水溶液和乙二醇溶液的循環(huán)回路組成，循環(huán)回路用于給每個鎳氫電池模塊冷卻或加熱。

（1）第 1 條回路（制冷）由包括壓縮機、干燥機、脫水過濾網(wǎng)等部件組成。這條回路配有指示器可以檢查冷媒液的液位和濃度。

（2）第 2 條回路（加熱）由水泵、加熱器（浸沒式加熱器）、流量計、溢流口、排泄口等部件組成。

1.4SAFT牽引電池包與電車接口

牽引電池包可以保證在無接觸網(wǎng)供電的狀態(tài)下，完全滿足電車的牽引電力供應。為了實現(xiàn)這一功能，在電車通過接觸網(wǎng)供電時，電池包可根據(jù) BMC 與電車CAN 網(wǎng)現(xiàn)場總線間通信自動檢測所處的運行模式。電池包有以下3種運行模式。

（1）供電模式。電池包給電車提供能量、放電。

（2）充電模式。牽引電能由電網(wǎng)提供，電池包通過中間的充電器實現(xiàn)再充電。

（3）待機模式。牽引電池包處于待機狀態(tài)，保存已儲存的能量。

當牽引電池包轉化為供電模式時，首先電車通過CAN 網(wǎng)現(xiàn)場總線發(fā)出指令，電池包收到命令后，由電池包控制單元控制電池包內部接觸器（Kbatt）閉合，然后，電車閉合 Kaps 接觸器（電車電池包模式開關），這樣牽引電池包能量就能反饋至電車 750 V 供電網(wǎng)絡，由電車分配相關電能供電車 2 組牽引逆變單元使用。包就報故障，需將電車排空回段后，更換模塊或均衡充電，其故障嚴重影響整組電池包的性能。

圖5　SAFT 牽引電池包與 Translohr 電車電氣連接示意圖

2　SAFT 牽引電池包實際運用情況及故障類型

天津開發(fā)區(qū)新交通試驗線作為國內首條在正線部分區(qū)段使用大功率牽引電池包動力模式的有軌電車線路，在實際運營過程中，積累了大量大功率電池包的運營維護經(jīng)驗。該型電池包的技術特征吸引了國內眾多生產(chǎn)廠家和科研院所的注意，紛紛來津考察、研究。

盡管 SAFT 電池包技術先進、功能強大，但在實際的運用中表現(xiàn)并不理想。牽引電池包的環(huán)境適應能力差、故障率高，同時，該電池包單體備件采購昂貴，采購周期長，使用壽命短，嚴重影響了正常運營。牽引電池包故障主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）鎳氫電池模塊故障。鎳氫電池模塊故障是最常見的故障，其表現(xiàn)形式有：模塊電壓低，充電溫度高，內阻變大，爬堿嚴重，電池容量下降等，它們之間相互影響。其中電壓低、溫度高會被 BMC 直接監(jiān)測到，產(chǎn)生故障報警，切斷電源供應。

（2）電池包溫度管理系統(tǒng)故障。該系統(tǒng)故障也是車輛運營中電池包常見故障。牽引電池包通過對乙二醇和水溶液的加熱、制冷，調節(jié)鎳氫電池模塊的工作環(huán)境溫度，使鎳氫電池模塊發(fā)揮最佳工作性能。故障時會導致鎳氫電池模塊溫度偏離工作適宜溫度，造成整組電池包無法正常工作，不但影響車輛的運營，還可能需要進行車輛救援。常見故障有制冷故障、加熱故障、循環(huán)故障以同時，天津地區(qū)夏季高溫、高濕天氣較多，當外部環(huán)境溫度與電池內部溫度偏差過大時，就會有凝露現(xiàn)象，當冷凝水泄漏到鎳氫電池模塊上時，會導致鎳氫電池模塊絕緣擊穿，嚴重時會導致電池著火。

同時，由于電池包管理單元對 44 個鎳氫電池模塊以每 2 組 1 個單元進行檢測，在檢測單元間常存在均衡壓差故障，當 2 個檢測單元之間的壓差超過 0.2 V，電池及漏液等。

（3）電池包控制單元（BMC）故障。在實際運用過程中，多次發(fā)生過因密封不嚴造成 BMC 進水及電壓波動引起 BMC 燒毀故障。該系統(tǒng)故障直接導致整組電池包無法工作。

（4）電池包充電器故障。在實際運用過程中，因電壓波動或溫度過高，多次引發(fā)牽引電池包充電器電容漏漿或燒毀故障。充電器輸出 600 V 直流電對牽引電池包進行充電。一旦該部件出現(xiàn)故障，牽引電池包就只能放電而無法充電。

（5）各種傳感器以及信息采集卡故障。因電池包內部在充放電過程中會釋放出腐蝕性氣體和液體，對各類傳感器灼燒嚴重。當其采集信息無法傳遞給 BMC 進行處理時，會導致電池包報警，甚至停止工作。

以上故障，通過加大檢修力度和提前預防性更換等措施，將電池包故障降低到一定程度。同時，也有必要參考 SAFT 電池包設計理念，適時開展國產(chǎn)化研究，以節(jié)省運營成本。

3　結束語

Translohr 電車應用的 SAFT 電池包設計理念先進，內部構架合理，是大功率電池組應用的范例，值得國內科研機構研究。但 SAFT 電池包在產(chǎn)品可靠性及國內環(huán)境的適應能力方面還存在諸多問題，需要有針對性地加大檢修力度，并適時啟動國產(chǎn)化工作以節(jié)省運營成本。

[1] 錢廣民. Translohr 膠輪導向電車電氣系統(tǒng)技術特點研究[J]. 城市軌道交通研究，2014（4）：97-101.

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Technical Characteristics of Traction Battery Pack of Modern Tram and Practical
Operation Fault Analysis

Hu Shoujian, Qian Guangmin

The paper makes an introduction of the main technical characteristics of SAFT traction battery pack of modern rail tram for the new transport test line of modern rail tram in Tianjin Development Zone, and detailed description of the main technical characteristics battery pack nickel metal hydride battery module, battery pack control unit (BMC) and battery pack temperature management system (BTMS). And it also introduces the actual situation of the traction battery pack, classifies and summarizes the various typical faults of battery pack in the present operation, providing references for other domestic use of traction battery pack power model on tram lines.

traction battery package, nickel metal hydride battery module, battery pack control unit, battery pack temperature management system, operating conditions, fault analysis

U482.1∶U260.4+9

胡壽建：天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，工程師，天津 300457

2015-02-28責任編輯 冒一平