標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組輔助應(yīng)急電源系統(tǒng)

姜宇龍

（北京市石景山醫(yī)院，北京 100043）

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長，城鎮(zhèn)化進(jìn)程在不斷加快，交通擁堵正在迅速成為制約我國城市發(fā)展的重要問題之一。為了緩解交通擁堵，大力發(fā)展城市軌道交通正越來越受到人們的重視。近年來，國家大力倡導(dǎo)安全無污染的“綠色軌道交通”，非環(huán)保型的產(chǎn)品正在成為軌道交通綠色發(fā)展的阻力，也逐漸被環(huán)保型產(chǎn)品所替代。軌道交通車輛通常采用鉛酸和鎘鎳電池，這些電池存在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)低、壽命短、維護(hù)成本高等問題。而在電動(dòng)汽車行業(yè)，大功率鋰電池已廣泛應(yīng)用，進(jìn)入了快速商業(yè)化的推廣階段。所以鋰電池技術(shù)在軌道交通行業(yè)應(yīng)用已成為必然趨勢。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

1.1 背景分析

地鐵、高鐵等軌道交通以運(yùn)量大、速度快、安全、環(huán)保、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最綠色的交通方式。但是由于運(yùn)量大，軌道交通盡管最綠色，能耗量也十分巨大。其中軌道交通車輛用輔助蓄電池一般為鉛酸和鎘鎳電池，而這些電池存在壽命短、不環(huán)保等特點(diǎn)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組介紹

中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組是中國中車長客股份公司研制的中國新一代、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)力分散型高速動(dòng)車組。它以標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化和自主化為指導(dǎo)方針，以安全可靠、穩(wěn)定舒適、經(jīng)濟(jì)適用和節(jié)能環(huán)保為設(shè)計(jì)理念。中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為8 輛編組、四動(dòng)四拖，可在低溫、雨雪、風(fēng)沙地區(qū)運(yùn)行，最高運(yùn)營速度為350km/h。編組圖如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組編組圖

輔助供電系統(tǒng)主要包括輔助電源系統(tǒng)、電源分配系統(tǒng)、輔助用電設(shè)備。其主要任務(wù)是為列車內(nèi)的各負(fù)載提供交流或直流電源，如空調(diào)、采暖、通風(fēng)、照明、制動(dòng)、牽引系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇、控制單元等，保證列車安全運(yùn)行，為旅客提供舒適的旅行環(huán)境。

1.3 供電要求

在切斷供電電源情況下，通過列車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蓄電池供電時(shí)間限制和最低電壓限制。保證蓄電池在電壓極限范圍內(nèi)，蓄電池組以供應(yīng)急使用，應(yīng)急通風(fēng)至少應(yīng)大于90 分鐘，其余應(yīng)急用電至少應(yīng)維持2 小時(shí)，包括應(yīng)急照明、應(yīng)急顯示、維修用電、通訊及其控制等。蓄電池組運(yùn)行時(shí)在線充電。

在切斷車上電網(wǎng)供電情況下，三組電池（190AhX3）所帶負(fù)載功率表如表1 所示。

表1 負(fù)載功率表

要求在為車上負(fù)載提供2 小時(shí)緊急供電后，蓄電池還能夠保證車上所有負(fù)載啟動(dòng)。同時(shí),當(dāng)蓄電池放電放到保護(hù)電壓值時(shí)（主接觸器斷開后），還可滿足18.5kW 負(fù)載繼續(xù)工作5 分鐘（保證受電弓正常升起3 次）。

2 系統(tǒng)詳細(xì)介紹

2.1 系統(tǒng)功能

應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)可為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組提供應(yīng)急輔助電源。當(dāng)車輛在無接觸網(wǎng)或接觸網(wǎng)故障無法供電時(shí)，啟用輔助電源系統(tǒng)，可提供2 小時(shí)以上的輔助電源供電。

輔助電源系統(tǒng)電量以及供電時(shí)間可定制。電池采用鈦酸鋰電池，并配置了電池管理系統(tǒng)（BMS），BMS 能實(shí)時(shí)監(jiān)控輔助電源系統(tǒng)狀態(tài)。蓄電池的溫度、電壓以及輔助電源系統(tǒng)的充放電電流、故障信息都能通過終端進(jìn)行查看。應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)外形圖如圖2 所示。

圖2 應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)外形圖

2.2 系統(tǒng)安裝位置

a.電池箱吊掛在TC01 和TC08 車的底架上。

b.電池箱配置：2 臺(tái)/列。

c.2 臺(tái)電池箱配置相同。

2.3 容量計(jì)算

按照輔助應(yīng)急供電需求，選定45 串鈦酸鋰電池組（額定電壓103.5V）,則得到每個(gè)階段的放電容量為：

a.所有負(fù)載

b.受限制負(fù)載1

c.受限制負(fù)載2

d.應(yīng)急負(fù)載

電池容量總需求：

常溫狀態(tài)（25℃）剩余容量：

放電需求占電池總?cè)萘康陌俜直葹椋?/p>

在達(dá)到放電截止條件后（SOC≤30%），電池仍能保證所有負(fù)載啟動(dòng)所需容量。

低溫狀態(tài)（-25℃）剩余容量：

電池在-25℃條件下，放電容量大于常溫放電容量的80%（190*4*80%=608Ah）

608-495.34=112.66Ah（2-8）

在2 小時(shí)緊急供電結(jié)束后，電池仍能保證至少兩次所有負(fù)載啟動(dòng)所需容量。

綜上：考慮到電池在不同溫度下容量測試試驗(yàn)都采用1C 倍率，而實(shí)際放電倍率遠(yuǎn)小于1C，所以無論在常溫還是低溫環(huán)境中，鈦酸鋰電池均能滿足車輛使用需求。

3 系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)框圖

正常情況下，車載充電機(jī)輸出110V 直流電給直流輔助負(fù)載供電，并為蓄電池進(jìn)行恒壓浮充電。車載充電機(jī)為2 路冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)接觸器網(wǎng)故障無法正常給直流輔助負(fù)載供電時(shí)，啟用應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)，用蓄電池給輔助負(fù)載供電。應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)為4 組190Ah 蓄電池并聯(lián)，考慮了冗余設(shè)計(jì)。車載充電機(jī)與應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)進(jìn)行通訊，控制蓄電池的充電流程。應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

3.2 應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)主要參數(shù)

表2 應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)參數(shù)表

4 鈦酸鋰電池情況

4.1 鈦酸鋰電池介紹

4.1.1 鈦酸鋰電池定義

負(fù)極采用鈦酸鋰材料（Li4Ti5O12）的鋰離子電池。

4.1.2 鋰離子電池分類

a.根據(jù)外型可以分為方形鋰電池和柱形鋰電池；

b.根據(jù)外包裝材料可以分為鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池和軟包鋰電池；

c.根據(jù)正極材料可以分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池；

d.根據(jù)負(fù)極材料可以分為鈦酸鋰電池和其他鋰電池（負(fù)極材料為石墨）。

4.2 單體電池技術(shù)參數(shù)

表3 單體電池技術(shù)參數(shù)表

4.3 單體電池性能曲線（圖4～6）

圖4 充放電曲線

圖5 溫度與放電容量曲線

4.4 電池管理系統(tǒng)功能

過充、過放、欠充、過熱、過流、短路保護(hù)與診斷；

單體蓄電池電壓檢測；

接觸器控制，接觸器狀態(tài)輔助觸點(diǎn)檢測；

歷史、故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

充電過程控制；

與充電機(jī)交互通訊；

圖6 OCV 與SOC 曲線

電池系統(tǒng)剩余電量（SOC）和放電深度（DOD）估算；

電池系統(tǒng)SOH 估算；

電池系統(tǒng)功率預(yù)測和控制；

故障報(bào)警及故障分級管理；

電池系統(tǒng)溫度檢測；

電池一致性評價(jià)和均衡控制；

電池系統(tǒng)電流檢測。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

電池管理系統(tǒng)采用主從一體式設(shè)計(jì)，通過對電池電壓和溫度信息的采集和計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)，并控制整個(gè)電池系統(tǒng)的運(yùn)行與退出。保障了電池使用的安全性，并延長了電池使用壽命。

輔助電源系統(tǒng)考慮了電池管理系統(tǒng)故障條件下的應(yīng)急供電，輔助電源系統(tǒng)在電池管理系統(tǒng)故障條件下依然能夠提供應(yīng)急供電，最大程度上保證了供電的不間斷性和應(yīng)急性。

輔助電源系統(tǒng)考慮了蓄電池在饋電狀態(tài)下無法正常通過車載充電機(jī)充電的情況下，仍然能夠應(yīng)急充電。輔助電源系統(tǒng)通過應(yīng)急充電接口與地面充電機(jī)進(jìn)行連接，最大程度上保證了輔助電源系統(tǒng)的可靠性。

可實(shí)現(xiàn)冗余控制：當(dāng)一組輔助電源故障時(shí)，該組輔助電源退出運(yùn)行，剩余三組電池保證車輛繼續(xù)運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文通過描述標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組輔助應(yīng)急電源系統(tǒng)的功能，對比分析了鈦酸鋰電池與其他電池的優(yōu)缺點(diǎn)，明顯能看出鈦酸鋰電池符合“綠色軌道交通”的要求。

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組輔助應(yīng)急電源系統(tǒng)配置了智能化的電池管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)，并通過通訊與車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。電池管理系統(tǒng)能對電池系統(tǒng)故障信息能夠記錄、儲(chǔ)存。解決了之前的盲充盲放無任何管理的狀態(tài)。真正實(shí)現(xiàn)了蓄電池的智能化管理。所以結(jié)合整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組輔助應(yīng)急系統(tǒng)的功能和產(chǎn)品特點(diǎn)來看，鈦酸鋰電池及其管理系統(tǒng)符合整個(gè)軌道交通行業(yè)的發(fā)展需求和現(xiàn)狀。從長遠(yuǎn)角度看，鈦酸鋰電池在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用也具有一定的市場潛力。