地鐵鈦酸鋰電池車載儲(chǔ)能系統(tǒng)研究*

王子超 高碩遙

地鐵鈦酸鋰電池車載儲(chǔ)能系統(tǒng)研究*

王子超1高碩遙2

（1．中國(guó)中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春；2.一汽轎車股份有限公司，130012，長(zhǎng)春//第一作者，工程師）

以軌道交通車輛車載儲(chǔ)能系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)當(dāng)前應(yīng)用于軌道交通車輛中的超級(jí)電容、高能電容和鋰離子電池等車載儲(chǔ)能元件的性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出鈦酸鋰電池具有高功率密度、高能量密度、高可靠性的技術(shù)特點(diǎn)。結(jié)合鈦酸鋰電池的性能特點(diǎn)和控制策略的研究，通過(guò)項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，闡述了鈦酸鋰電池在地鐵車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊前景。

地鐵車輛；車載儲(chǔ)能系統(tǒng)；鈦酸鋰電池

1 軌道交通車輛儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)介

軌道交通車輛儲(chǔ)能主要有三種用途：①用于列車輔助電源，在接觸網(wǎng)電壓缺失或者變流器故障等情況下，作為應(yīng)急備用電源向車內(nèi)負(fù)載（如照明、升降弓等）供電；②作為備用動(dòng)力牽引源，在列車制動(dòng)時(shí)將能量回收，牽引時(shí)提供部分動(dòng)力源，在無(wú)網(wǎng)區(qū)或電網(wǎng)斷電時(shí)作為主動(dòng)力源；③作為車載能量源，提供車輛所需的所有能源，包括牽引和輔助系統(tǒng)所需的功率和充電站間距內(nèi)運(yùn)行所需的能量，此用途可為線路省去電網(wǎng)，節(jié)省供電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維費(fèi)用。

目前，對(duì)車載儲(chǔ)能元件的要求越來(lái)越高，除了單純的輔助電源功能外，主動(dòng)力源或備用動(dòng)力源功能已經(jīng)成為主流。這就對(duì)車載儲(chǔ)能元件有了新的要求：①儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)具有高能量密度和高功率密度，以滿足在高功率輸出和高能量裝載的情況下車輛軸重的限制要求；②溫度適應(yīng)性寬，能在-50～60℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作；③長(zhǎng)壽命，減少儲(chǔ)能元件更換周期，降低運(yùn)營(yíng)成本；④安全性好，在儲(chǔ)能元件或儲(chǔ)能元件電路出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)危害到車輛和車上的人員；⑤抗振性能強(qiáng)，能夠適應(yīng)動(dòng)車組行駛時(shí)振動(dòng)的要求；⑥自放電率低，不污染環(huán)境，無(wú)記憶效應(yīng)，回收利用性好等。

2 軌道交通車載儲(chǔ)能元件

現(xiàn)有的可作為動(dòng)力源使用的車載儲(chǔ)能元件主要有超級(jí)電容、高能電容和鋰離子電池。

超級(jí)電容作為車載儲(chǔ)能元件的優(yōu)點(diǎn)是：①充放電速度快，超級(jí)電容充放電是一個(gè)可逆的物理過(guò)程，大電流下可在10 s～10 min之內(nèi)完成充放電；②使用循環(huán)次數(shù)多（可多達(dá)50萬(wàn)次），且在充放電過(guò)程中沒(méi)有記憶效應(yīng)；③高功率密度，超級(jí)電容的功率密度可達(dá)2～10 kW/kg；④效率高，超級(jí)電容的內(nèi)阻一般在mΩ級(jí)，這使得其在充放電過(guò)程中具有極高的效率；⑤溫度范圍寬，低溫和高溫對(duì)其充放電電流的影響很小。鑒于超級(jí)電容的特性優(yōu)勢(shì)，其特別適用于軌道交通車輛的制動(dòng)能量吸收和應(yīng)急牽引。但是，由于超級(jí)電容的能量密度過(guò)小，在車重限制范圍內(nèi)，超級(jí)電容儲(chǔ)能形式只能滿足制動(dòng)能量吸收和斷電區(qū)的備用牽引需求［1-3］。

就目前的科技水平而言，增大超級(jí)電容的能量密度在短時(shí)間內(nèi)難以取得突破，一種性能介于電容和電池之間的儲(chǔ)能設(shè)備——高能電容應(yīng)運(yùn)而生。高能電容將超級(jí)電容負(fù)極板的活性炭材料換成了快速儲(chǔ)鋰碳材料，其兼具了電池和電容的優(yōu)點(diǎn)，能量密度得到了大幅提高，可達(dá)到25～60 Wh/kg。但此種儲(chǔ)能材料的充放電效率受環(huán)境溫度的影響較大，且大電流充放電時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重。高能電容成組模塊化后需要為其配備管理系統(tǒng)，且高能電容能量均衡的管理算法較為復(fù)雜［3-7］。目前高能電容和超級(jí)電容均已經(jīng)在車輛上裝車運(yùn)營(yíng)，其性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 高能電容和超級(jí)電容性能對(duì)比

從表1可以看出，高能電容因其出色的短時(shí)間大功率密度和超大能量密度的放電特性而更加適用于有軌車輛，它能使車輛在不需要頻繁充電的情況下完成全線無(wú)接觸網(wǎng)運(yùn)行。

對(duì)于全線無(wú)接觸網(wǎng)的軌道交通車輛而言，續(xù)航里程成為衡量車輛性能指標(biāo)的重要因素，為了追求更長(zhǎng)的續(xù)航里程，需要能量密度更高的儲(chǔ)能元件來(lái)滿足要求，且軌道交通用車載儲(chǔ)能元件必須具有較高的安全性和可靠性，功率型鈦酸鋰電池以其優(yōu)越的高倍率放電能力和高能量密度等特點(diǎn)進(jìn)入了人們的視線。它以鈦酸鋰為負(fù)極材料，配合錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料共同組成電壓為2.3 V或1.9 V的全電池。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，鈦酸鋰電池由于改進(jìn)了負(fù)極材料，一方面增加了鋰離子電池在負(fù)極的嵌入通道，另一方面避免了負(fù)極SEI（固態(tài)電解質(zhì)）膜的產(chǎn)生，在溫度適用性、壽命、放電倍率和安全性等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這也是該型電池在功率型應(yīng)用及快充快放的應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛推廣的重要原因［8］。鈦酸鋰電池、超級(jí)電容及高能電容的性能參數(shù)比較見(jiàn)表2。

表2 鈦酸鋰電池、超級(jí)電容以及高能電容的性能參數(shù)比較

從表2可以看出，高倍率鈦酸鋰電池的功率密度和高能電容、超級(jí)電容的接近，而能量密度是高能電容的2倍，是超級(jí)電容的10倍。只要控制好充放電SOC（剩余容量與額定容量的比值），做好電池組的溫度控制，其壽命完全能夠達(dá)到高能電容的水平。

3 下一代地鐵鈦酸鋰電池車載儲(chǔ)能方案

3.1 方案概述

在科技部立項(xiàng)的下一代地鐵課題中，地鐵車載儲(chǔ)能系統(tǒng)將以鈦酸鋰電池作為儲(chǔ)能元件，以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：①實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的本地吸收，并根據(jù)需要供牽引和輔助電源使用，提高整車效率；②實(shí)現(xiàn)正線電網(wǎng)斷電時(shí)的車輛自牽引，提高車輛應(yīng)急情況處理能力；③實(shí)現(xiàn)車庫(kù)內(nèi)的無(wú)電網(wǎng)運(yùn)行，提高車輛庫(kù)內(nèi)的檢修便利程度；④整車減重10%，能耗降低10%，降噪3 dB。

針對(duì)該項(xiàng)目的要求，本文設(shè)計(jì)了以鈦酸鋰電池車載儲(chǔ)能系統(tǒng)為核心的2動(dòng)2拖B型地鐵車輛高壓拓?fù)洌鐖D1所示。

在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，用動(dòng)力電池箱替代傳統(tǒng)地鐵車輛的輔助電源電池箱，制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池箱吸收VVVF（變壓-變頻）的制動(dòng)能量并存儲(chǔ)起來(lái)；牽引時(shí)，其放出一部分能量保證動(dòng)力電池有足夠的剩余容量以吸收制動(dòng)能量；在自牽引工況下，其為牽引系統(tǒng)供電。該動(dòng)力電池組的一部分直接與充電機(jī)相連，為車輛輔助系統(tǒng)提供電源以供喚醒上電使用。當(dāng)KMB閉合時(shí)，動(dòng)力電池箱與輔助高壓母線相連通，動(dòng)力電池電源為車輛調(diào)試和應(yīng)急負(fù)載供電。新型的高壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使車輛在不增加設(shè)備、不減少既有功能的情況下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的冗余，最大限度地提高了車輛的可靠性。同時(shí)，與原有系統(tǒng)高壓箱體相比，此方案為全車減重300 kg，為減輕軸重、提高運(yùn)輸能力做出了一定貢獻(xiàn)。

3.2 鈦酸鋰電池車載儲(chǔ)能系統(tǒng)容量計(jì)算

圖1 下一代地鐵車輛高壓拓?fù)?/p>

本方案中，選用東芝2.9 Ah功率型電池，其額定電壓為2.4 V，電壓范圍為1.5～2.8 V；選用的成組方式為8并192串（每個(gè)DC-DC）；每個(gè)動(dòng)力電池箱內(nèi)設(shè)置2組模塊，每組模塊與其中一套牽引逆變器配合使用；輔助電源箱通過(guò)兩組并聯(lián)的方式連接。模塊組的額定電壓為460.8 V，工作電壓范圍為400～537.6 V。單個(gè)動(dòng)力電池箱總?cè)萘繛?3.2 Ah，全列電量為42.7 kWh。

由于地鐵列車長(zhǎng)期工作在頻繁牽引、制動(dòng)模式下，從保證儲(chǔ)能電池功能、延長(zhǎng)電池使用壽命和整車安全可靠的角度考慮，建議將電池的充放電區(qū)間控制在60%～75%，從而為電制動(dòng)時(shí)的能量回收留有足夠的裕量。在充分考慮電制動(dòng)能量的吸收和車輛可供給的動(dòng)力電池箱空間等因素，經(jīng)過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)，本方案最終決定采用電池箱單組330 A充放電模式。

圖2示出了2.9 Ah功率型鈦酸鋰電池60%SOC時(shí)以41.25 A充電（對(duì)應(yīng)到8并電池箱為330 A）30 s時(shí)電池的電流和電壓變化曲線，以模擬車輛制動(dòng)過(guò)程中向儲(chǔ)能系統(tǒng)回饋能量。在SOC為60%時(shí)，電池電壓約為2.502 V，此時(shí)整箱電池為480 V。當(dāng)電池單體以41.25 A充電30 s后，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，單體吸收能量0.908 Wh（對(duì)應(yīng)到整車為5.57 kWh），整車電壓變化范圍為497～512 V，功率范圍為656.04～675.84 kW，SOC變化11.6%。即制動(dòng)結(jié)束后電池SOC為71.6%，電池單體電壓為2.67 V，處于保護(hù)電壓2.8 V下。根據(jù)上述分析，當(dāng)電池的起始電量定在60%時(shí)，在330 A的充電電流下，電池對(duì)能量的吸收能力可以滿足整車的要求。同時(shí)，60%～75%SOC區(qū)間內(nèi)，電池正負(fù)極材料及鋰離子活性強(qiáng)，電池具有較大功率輸出能力，在該SOC下循環(huán)充放電，對(duì)電池的壽命影響較小。

圖2 2.9 Ah鈦酸鋰電池60%SOC充電30 s電流電壓

下一代地鐵列車儲(chǔ)能系統(tǒng)除滿足日常列車運(yùn)行中制動(dòng)能量的回收、提高整車效率外，還可在供電區(qū)斷電時(shí)實(shí)現(xiàn)車輛自牽引，避免列車因供電故障停在區(qū)間。根據(jù)下一代地鐵列車運(yùn)行路線進(jìn)行牽引仿真計(jì)算，估算出上下行車各個(gè)站間及庫(kù)內(nèi)運(yùn)行耗電量，求得區(qū)間的最高耗電量為16.53 kWh。當(dāng)車輛自牽引時(shí)，牽引對(duì)單組電池的放電電流約為150 A，輔助用電為50 A（整車輔助系統(tǒng)功率按照95 kW計(jì)算），則單組電池電流為200 A（對(duì)應(yīng)單體25 A），放電電壓下限為392 V（對(duì)應(yīng)單體2.05 V）。將電池起始電量調(diào)至60%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此情況下電池可用電量為24.5 kWh，電池放電電壓降低至392 V時(shí)，電池剩余電量約為5%。

在45 min緊急供電情況下，整車輔助應(yīng)急負(fù)載功率約為25 kW，每只單體電池放電功率為4 W，在60%SOC下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明當(dāng)放電截止（即電壓為392 V）時(shí)，可用電量為27.3 kWh，此時(shí)電池SOC為2%。

3.3 鈦酸鋰電池車載儲(chǔ)能箱體設(shè)計(jì)

鈦酸鋰電池箱采用鋁合金箱體，箱體內(nèi)包含2組8并192串的電池組，以及冷卻風(fēng)機(jī)、散熱風(fēng)扇和電池管理系統(tǒng)（BMS）。檢修窗口設(shè)置在箱體的兩側(cè)，即吊裝在車體底架邊梁上后車體的兩側(cè)，高低壓出線分置在箱體的兩端（如圖3所示）。

圖3 下一代地鐵項(xiàng)目車載儲(chǔ)能電池箱外形圖

3.4 鈦酸鋰電池車載儲(chǔ)能控制系統(tǒng)

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)由檢測(cè)模塊（從板）和主控模塊（主板）兩部分組成，采用分布式管理方式。檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)電池電流、單體電壓及溫度等系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊；主控模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，完成電池狀態(tài)估計(jì)和控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與車上各控制器間的信息交互等工作。

BMS主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①數(shù)據(jù)采集，精確檢測(cè)電池電壓、電流和溫度等參數(shù)；②數(shù)據(jù)通信，與車輛進(jìn)行以太網(wǎng)通信；③狀態(tài)估計(jì)，在參數(shù)正確的前提下，應(yīng)用一定的算法準(zhǔn)確估計(jì)電池SOC與SOP（電池能提供的最大充放電功率或電流），正確評(píng)價(jià)電池健康狀態(tài)。

BMS通過(guò)霍爾傳感器采集電池充放電電流，以安時(shí)積分的方法計(jì)算電池SOC，同時(shí)在靜止時(shí)通過(guò)OCV（電池開(kāi)路電壓）-SOC差值表修正因電流采樣精度及時(shí)間積分引起的SOC誤差，并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合方式實(shí)現(xiàn)SOC的平滑修正；然后將準(zhǔn)確的SOC值和溫度傳感器采集的電池溫度作為輸入量，求得電池允許的最大充放電電流，根據(jù)多種故障因素對(duì)允許充放電電流值進(jìn)行修正和限制，并通過(guò)階梯式變化保證修正時(shí)平滑過(guò)渡；最后將電池的最大功率輸入輸出能力上報(bào)VVVF，由DC-DC通過(guò)脈沖調(diào)制控制電池的充放電電流。

此外，BMS還能夠?qū)崿F(xiàn)：① 安全控制，包括過(guò)電壓控制和過(guò)電流控制、過(guò)充/放電控制、高/低溫保護(hù)等；②電池均衡，對(duì)電池組均衡充放電以減小單體電池之間的特性差異；③熱管理，控制電池溫度，降低各個(gè)電池模塊之間的溫度差異，使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)［9-10］。

4 鈦酸鋰電池在地鐵領(lǐng)域的應(yīng)用展望

本車載儲(chǔ)能方案在下一代地鐵項(xiàng)目中的應(yīng)用，將使整車能耗比傳統(tǒng)車輛降低20%，整車減重500 kg。此外，由于鈦酸鋰動(dòng)力電池箱是智能化可控的，使得車載電池的維護(hù)工作量大大減少，并可實(shí)現(xiàn)車載電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，從而提高了車載儲(chǔ)能元件的安全性和可靠性。

相比超級(jí)電容和高能電容，鈦酸鋰電池在電動(dòng)汽車等超級(jí)電容和高能電容儲(chǔ)能領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，其控制技術(shù)和產(chǎn)品化程度相對(duì)成熟，價(jià)格也更低，它在能量密度上的優(yōu)勢(shì)更是超級(jí)電容和高能電容無(wú)法比擬的。隨著大功率、高能量?jī)?chǔ)能元件的市場(chǎng)需求不斷增大，鈦酸鋰電池制造技術(shù)及控制技術(shù)將不斷提高，其功率密度和循環(huán)壽命在進(jìn)一步增加，對(duì)于地鐵車輛車載動(dòng)力源這種應(yīng)用場(chǎng)合，鈦酸鋰電池有著突出的優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 曾桂珍,曾潤(rùn)忠.沈陽(yáng)渾南現(xiàn)代有軌電車超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證［J］.城市軌道交通研究，2016（5）：74-82.

［2］ 王迅.城市軌道交通車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2010．

［3］ 王俊.基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2012.

［4］ 劉海晶,夏永姚.混合型超級(jí)電容器的研究進(jìn)展［J］.化學(xué)進(jìn)展，2011（S1）：595.

［5］ 鄭宗敏，張鵬，閻興斌.鋰離子混合超級(jí)電容器電極材料研究進(jìn)展［J］.科學(xué)通報(bào)，2013，58：3115-3123.

［6］ 黃任飛.鈦酸鋰電池在兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用分析［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2015（3）：290-294。

［7］ 譚易.動(dòng)力型鋰電池成組技術(shù)研究［D］武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

Research on the On-board Energy Storage System with Lithium Titanate Battery

WANG Zichao，GAO Shuoyao

Aiming at the on-board energy storage system for urban rail transit，super capacitor，high-energy capacitor and lithium titanate battery that currently installed in passenger vehicles are compared，the technical features of lithium titanate battery,such as the high power density，high energy density and high reliability are confirmed.Combined with the research achievements for the characteristics and control strategy of lithium titanate battery，also through a comparison between practical application and field test，the technical advantages and broad prospect of lithium titanate battery in terms of application to the energy storage system of urban rail transit vehicle are described.

metro vehicle； on-board energy storage system；lithium titanate battery

TM912.1

10.16037/j.1007-869x.2017.10.008

First-author′s address CRRC Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd.，130062，Changchun，China

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2015BAG13B01）

2016-10-25）