鋰離子電池在動車組輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用

邢學(xué)彬 王效宇

摘要：近年來鋰離子電池的發(fā)展非常之快，在動車組輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用也非常的廣泛，本文針對鋰離子電池在動車組輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用做分析，來為本行業(yè)的人員提供參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；動車組輔助電源系統(tǒng)；應(yīng)用

引言：中國高鐵的建設(shè)和發(fā)展，為我國國民經(jīng)濟發(fā)展提供安全可靠、高速度、大容量運力保障，進一步緩解鐵路運力緊張、提高運輸服務(wù)品牌和運輸服務(wù)質(zhì)量的重要舉措。高鐵在走出去的過程中， 必需加快鐵路核心技術(shù)的全面自主化工作，要形成完整的標準體系，推進中國標準動車組的研制，以及高鐵運營的完整體系。高速列車的輕量化水平不僅直接決定了高鐵運行的安全性、平穩(wěn)性、舒適性、能耗和對環(huán)境產(chǎn)生的噪聲影響，是高鐵提速的關(guān)鍵影響要素。其中輔助電池系統(tǒng)的高性能、輕量化和長壽命也是設(shè)計中的一個重要部分。

1、動車組輔助系統(tǒng)蓄電池的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 動車組輔助蓄電池組的要求

動車組輔助蓄電池組的主要功能是車輛在接觸網(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)負載（如照明、升降弓等）供電，要求電池具有以下特性：重量輕，適應(yīng)動車組輕量化設(shè)計理念，實現(xiàn)車輛運行的高安全性和低能耗；功率特性好，可滿足動車組大電流放電的需要；溫度適應(yīng)性寬廣，能夠在-40℃--60℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作；長壽命，電池的壽命長，降低電池更換工作量和運營成本；安全性好，電池的安全性高，能有效的保障車輛運行的安全；能夠適應(yīng)動車組行駛時振動的要求，自放電低，無污染環(huán)境，無記憶效應(yīng)，回收利用性好等。

1.2 動車組輔助蓄電池組的發(fā)展

現(xiàn)有的蓄電池主要包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。目前動車組用輔助蓄電池主要有兩大類：一類是鉛酸電池，一類為堿性鎳鎘電池。長期以來，鉛酸電池以其工藝成熟、性能穩(wěn)定、售價低廉等優(yōu)點得到了廣泛的使用；但由于其重量和體積大、充電時間長以及壽命短，使得鉛酸電池不能滿足現(xiàn)代動車組高效運營的要求。與鉛酸電池相比，鎳鎘電池大電流放電特性好、耐過充放能力強、維護簡單，在動車組上得到了廣泛的應(yīng)用，但由于具有記憶效應(yīng)、能量密度較低、含重金屬存在環(huán)境污染等限制了鎳鎘電池的持續(xù)發(fā)展。

鋰離子電池是20世紀90年代發(fā)展起來的，具有量密度高、壽命長、充放電效率高和無環(huán)境污染等優(yōu)點，最初的鋰離子電池原料以鈷酸鋰為主，后來陸續(xù)推出了錳酸鋰、三元和磷酸鐵鋰等體系的電池，電池的安全性和循環(huán)壽命有了長足的進步，錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命分別達到600次和2000次，并在電動汽車等場合得到了推廣應(yīng)用。但由于上述電池均采用碳作為負極，低溫環(huán)境下，鋰的嵌入和脫出負極能力下降，因此電池的最低充電溫度都接近0℃，這不能滿足動車組使用的需要。近年來推出了以鈦酸鋰為負極的鈦酸鋰電池。該電池在電池能量密度略有下降，但電池的溫度適應(yīng)性、電池壽命、安全性等都有大幅的提升。綜合考慮動車組對蓄電池的低溫性能、使用壽命、安全性、能量密度等方面的要求，鈦酸鋰電池是目前最適宜在動車組上使用的電池。

2、鈦酸鋰電池的性能

目前在世界上主要的鋰離子電池生產(chǎn)國家有日本、韓國、美國和中國，國內(nèi)已經(jīng)制定了嚴格的鋰離子電池的安全檢測規(guī)范，并且已有很多種規(guī)格的鋰離子電池通過了檢測，可以保證正常使用狀態(tài)下的安全。

2.1 鈦酸鋰電池的性能

鈦酸鋰電池是近幾年來剛剛發(fā)展起來的一種新型鋰離子電池，其突出特點是安全性好、倍率特性好和壽命長。測試顯示，鈦酸鋰電池不論是常溫還是高溫下，即使是大倍率循環(huán)，均表現(xiàn)出了良好的容量穩(wěn)定安全測試。鈦酸鋰電池由于負極對鋰的電位高達1.55V，在過充時不會像常用的石墨負極那樣出現(xiàn)鋰枝晶，因而賦予了它可以大電流充電的特質(zhì)，并且過充安全性要遠遠優(yōu)于石墨負極。通過以上分析和測試可見，鈦酸鋰電池的安全性相對最好，并且在使用鈦酸鋰電池后，蓄電池組在重量及性能等方面均有顯著優(yōu)勢，因此將鈦酸鋰離子電池應(yīng)用到動車組上的方案是可行的。

3、鈦酸鋰離子電池成組技術(shù)

為了達到一定的電壓、功率和能量等級，動車組用的輔助電池需要串聯(lián)成組使用。由于生產(chǎn)和使用過程中的不一致，電池之間的差異性客觀存在。為保證鋰離子電池組在使用的過程中不出現(xiàn)過充點、過放電，在過高或過低的環(huán)境溫度中使用降低其使用壽命，鋰離子電池組需電池管理系統(tǒng)和充電器配合，來保障鋰離子電池組的安全使用，并延長其使用壽命。

3.1 電池管理系統(tǒng)

在電池使用過程中，電池管理系統(tǒng)能實時的檢測每個電池電壓、溫度、電池組工作電流；并對電池組的荷電狀態(tài)和最大允許充電電流進行估算；依據(jù)檢測到的電池信息，對電池的故障狀態(tài)進行診斷和定位；必要的時候可啟動風(fēng)機，實施熱管理；通過總線與充電機之間的數(shù)據(jù)交換，將單體電池電壓、溫度和電池組故障狀態(tài)及時反映到充電機，實現(xiàn)充電過程的多變量閉環(huán)控制，保障充電過程安全；極限情況下可切除電池，防止出現(xiàn)安全隱患。

4、動車組輔助系統(tǒng)蓄電池應(yīng)用方案

4.1 動車組輔助系統(tǒng)蓄電池的基本工作模式

輔助系統(tǒng)蓄電池采用鋰離子電池組，由于鋰離子電池自身特點，在設(shè)計全新輔助系統(tǒng)的時候需考慮幾點問題。1、建立充電機與BMS之間的通信，從而使充電機能夠根據(jù)BMS指令對電池組進行充放電控制，達到延長電池壽命，提高電池系統(tǒng)利用率的目的。2、引入整車上下電信號控制到電池系統(tǒng)，保證整車上下電時，保護開關(guān)的正確邏輯及下電后BMS斷電，減少BMS對電池系統(tǒng)的能量消耗，防止長時間停車時電池過放。3、在應(yīng)急供電情況下，切斷分級負載的電壓閥值需要根據(jù)鋰電池配置進行更改。

4.2現(xiàn)有車輛蓄電池應(yīng)急電源系統(tǒng)改造方案

在現(xiàn)有車輛蓄電池應(yīng)急電源系統(tǒng)中，由于充電機與電池系統(tǒng)沒有通訊接口，因此可僅更改充電機內(nèi)部控制參數(shù)，使其適應(yīng)對鋰離子電池進行充電；電池組的過充、過放保護由電池組內(nèi)部完成。此模式下，電池系統(tǒng)的充電電流僅由充電機控制，控制靈活性稍差。整車上下電控制信號與蓄電池電壓閥值仍需要改造。

4.3電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計

故障導(dǎo)向安全設(shè)計

通過對整個電池組的工作狀態(tài)及潛在故障統(tǒng)計分析，電池系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮系統(tǒng)的其潛在失效模式，保證系統(tǒng)的安全、可靠運行。對單體電池的電壓檢測，避免單體電池過充、過放。對電池系統(tǒng)溫度檢測，保證電池系統(tǒng)不工作在過溫或低溫狀態(tài)。對電池系統(tǒng)電流檢測，保證電池系統(tǒng)不工作在過流狀態(tài)。均衡管理，保證電池組各節(jié)電池的一致性。

電池單體及電池組故障處理

故障處理采用分級處理的模式，對不同的故障情況進行分級分析，并通過通訊上報故障信息。根據(jù)電池的特性及電池組工作情況對各故障進行分類，根據(jù)故障的嚴重等級進行分類，分為一、二和三級故障，處理故障方式分別為告警、降功率運行和切斷功率回路。電池系統(tǒng)中配備加熱設(shè)備，在環(huán)境溫度過低時開啟加熱保證其工作在理想工作溫度范圍內(nèi)。

4.4 電池系統(tǒng)的可維護性設(shè)計

電池管理系統(tǒng)在電池系統(tǒng)使用過程中會實時檢測電池系統(tǒng)的各項參數(shù)指標，監(jiān)測鋰電池系統(tǒng)狀態(tài)。電池管理系統(tǒng)具有電池均衡功能，通過對各電池的狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)均衡控制策略，對電池容量偏差較大的電池進行均衡管理，保證電池組中的各電池的容量一致性在一定的范圍內(nèi)，電池系統(tǒng)可實現(xiàn)免維護。

結(jié)束語

總而言之，合理的在動車組中應(yīng)用鋰離子電池，不僅可以有效的緩解能源不足的問題，減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)整車輕量化設(shè)計，應(yīng)該大量開發(fā)鋰離子電池在軌道交通行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

參考文獻

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