鈦酸鋰電池在高速磁浮列車(chē)上的應(yīng)用分析*

鄧桂美，陳 星，韓偉濤，王芹鳳

1 概述

目前美國(guó)、日本、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家都在研究高速磁浮列車(chē)，以滿足人們更快的長(zhǎng)距離出行需求[1-3]。我國(guó)高速磁浮列車(chē)的最高試驗(yàn)運(yùn)行速度達(dá)到503km/h，最高實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)到430km/h。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，將會(huì)出現(xiàn)600km/h以上的更高速磁浮列車(chē)。那么，高速磁浮列車(chē)必然將會(huì)成為長(zhǎng)距離運(yùn)行的主要交通工具之一。然而，高速磁懸浮列車(chē)的長(zhǎng)距離運(yùn)行必然會(huì)面臨新的技術(shù)問(wèn)題。在長(zhǎng)距離運(yùn)行線路上，為實(shí)現(xiàn)列車(chē)任一地點(diǎn)啟動(dòng)和停車(chē)等運(yùn)行工況，需要列車(chē)配備性能更高的電池，解決車(chē)載供電問(wèn)題。

2 工作環(huán)境

高速磁浮列車(chē)起浮、運(yùn)行和停車(chē)等正常運(yùn)行都需要通過(guò)車(chē)載供電系統(tǒng)對(duì)其車(chē)輛負(fù)載供電來(lái)完成。圖1為車(chē)載供電系統(tǒng)的組成架構(gòu)示意圖。

圖1 高速磁浮列車(chē)載供電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2 某型號(hào)堿性電池電芯（-20℃）不同放電倍率曲線

高速磁浮列車(chē)在起浮運(yùn)行時(shí)，需要地面或車(chē)載電源為其提供大電流供電，以便于列車(chē)完成啟動(dòng)所需要的能量；在停車(chē)時(shí)，需要地面或車(chē)載電源為其提供制動(dòng)用的安全電源。如果僅采用地面電源方式為列車(chē)供電，需要在全線路磁浮軌道鋪設(shè)相對(duì)較大功率的接觸式供電軌或非接觸器供電線圈。由于高速磁浮列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，列車(chē)上的負(fù)載可以通過(guò)直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行非接觸式供電，因此，在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)無(wú)需地面供電電源等設(shè)備。這樣無(wú)疑極大增加高速磁浮軌道投資成本、維護(hù)成本和供電成本；全線鋪設(shè)的地面供電電源及供電軌道（或供電線圈）等設(shè)備的使用效率也非常低。那么，列車(chē)安裝車(chē)載電源成為一種必然選擇。這樣，不僅滿足列車(chē)安全供電需求，而且也極大減少了地面電源裝置和供電軌（或供電線圈）的鋪設(shè)長(zhǎng)度。

3 現(xiàn)狀分析

目前可以作為高速磁浮列車(chē)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的電源，主要有二次電池（如:堿性電池，鋰電池等）和燃料電池（如:氫燃料電池、鋁空燃料電池等）兩種類(lèi)型電源裝置。

可用作車(chē)載電源的電池有二次電池（如:堿性電池，鋰電池等）和燃料電池（如:氫燃料電池、鋁空燃料電池等）兩種類(lèi)型電源裝置。燃料電池是消耗類(lèi)型電池，無(wú)疑給車(chē)輛的維護(hù)和使用帶來(lái)諸多不便，同時(shí)，燃料電池還增加了列車(chē)使用成本或安全等問(wèn)題。這樣，二次電池便成為車(chē)載電源的理想選擇。

目前高速磁浮列車(chē)一般采用堿性電池作為車(chē)載電源。堿性電池的自身特性導(dǎo)致作為車(chē)載電源需要解決以上幾點(diǎn)不利因素:

3.1 電池記憶效應(yīng)

磁浮列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，僅在列車(chē)起浮、加速運(yùn)行和制動(dòng)停車(chē)時(shí)需要蓄電池供電；列車(chē)在其他運(yùn)行工況時(shí)基本上不需要蓄電池供電，僅需要對(duì)車(chē)載電網(wǎng)供電起到緩沖作用。可見(jiàn)，車(chē)輛在使用電池時(shí)經(jīng)常存在淺充淺放的運(yùn)行工況。然而，長(zhǎng)期淺充淺放會(huì)導(dǎo)致堿性電池產(chǎn)生記憶效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致堿性電池放不出足夠電量，因此，需要在堿性電池供電回路上單獨(dú)設(shè)置充滿電控制回路。不過(guò)，這樣并不能完全消除堿性電池長(zhǎng)期使用存在的記憶效應(yīng)。因此，為保證車(chē)輛具有充足的可靠用電量，需要配置盡可能大容量電池，這樣無(wú)疑增加安裝空間和設(shè)備重量，不利于車(chē)輛輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)，需要定期拆除堿性電池，對(duì)其返廠進(jìn)行地面維護(hù)，來(lái)消除堿性電池的記憶效應(yīng)。

3.2 低溫放電性能差

堿性電池電芯可用放電電壓一般在1.05V-1.35V之間（標(biāo)稱電壓1.2V），在低溫條件（-20℃）上，瞬時(shí)以放電電流4C時(shí)上拉電壓至1V左右，基本上不能夠放電使用。有關(guān)某型號(hào)堿性電池電芯在-20℃不同倍率放電曲線，如圖2所示。所以，在天氣寒冷條件上，高速磁浮列車(chē)起浮等工況使用堿性電池以大電流進(jìn)行放電基本不可行。因此，使用堿性電池作為車(chē)載電源時(shí)，最簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)需要對(duì)其單獨(dú)設(shè)置加熱回路。

3.3 非密封式電池電芯

由于堿性電池自身消耗電解液特性，因此，單體電池設(shè)置了注液口，需要將其電解液保持在最低液面和最高液面之間，如圖3模型堿性電池電芯。這樣，高速磁浮列車(chē)使用堿性電池作為車(chē)載電源時(shí)，需要定期將其拆卸上來(lái)進(jìn)行地面注液維護(hù)。

圖3 某型號(hào)堿性電池電芯液面位置

3.4 設(shè)置檢測(cè)裝置

考慮到堿性電池應(yīng)用條件限制，需要在堿性電池外部設(shè)置電壓、電流檢測(cè)裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)堿性電池可用電量檢測(cè)。此外，為防止堿性電池因電解液耗干等工況引起的異常故障，在電池箱體內(nèi)部設(shè)置溫度檢測(cè)開(kāi)關(guān)，以便于外部預(yù)警裝置及時(shí)報(bào)出故障處理信息。

3.5 設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)

由于高速磁浮列車(chē)車(chē)載電源具有動(dòng)力電源和輔助電源雙重特性，因此堿性電池需要在外部設(shè)置控制回路和通風(fēng)系統(tǒng)以防止電池過(guò)熱、微量氫氣產(chǎn)生等不利因素。

通過(guò)以上分析說(shuō)明，可以看出使用堿性電池作為車(chē)載電源不僅增加了設(shè)備重量、安裝空間、控制回路、加熱回路和檢測(cè)裝置等，而且也增加了電池地面注液和返廠激活等維護(hù)工作。

4 鈦酸鋰電池優(yōu)勢(shì)分析

鋰電池目前主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池。由于軌道交通行業(yè)對(duì)安全性要求較高，一般推薦使用安全性能相對(duì)最高的鈦酸鋰電池[4]。上面對(duì)鈦酸鋰電池相對(duì)于堿性電池作為高速磁浮列車(chē)車(chē)載電源的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

4.1 無(wú)記憶效應(yīng)

與堿性電池相比，鈦酸鋰電池對(duì)其充放電沒(méi)有記憶效應(yīng)，因此，對(duì)于電池的淺充淺放等使用工況沒(méi)有限制。這樣，使用鋰電池作為車(chē)載電源無(wú)需單獨(dú)設(shè)置控制回路和定期返廠激活維護(hù)工作。同時(shí)，在保證列車(chē)可用電量條件上，可以使用容量相對(duì)較小的鋰電池進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)電池容量計(jì)算，高速磁浮列車(chē)使用鋰電池的安裝空間和重量均比使用堿性電池要減少50%。

4.2 低溫放電性能相對(duì)校好

鈦酸鋰電池電芯可用放電電壓一般在1.5V-2.7V之間（標(biāo)稱電壓2.3V），在低溫條件（-20℃）上，瞬間以放電電流4C時(shí)上拉電壓至2.25V左右。有關(guān)某型號(hào)鈦酸鋰電池電芯在-20℃不同倍率放電曲線，如圖4所示。所以，在天氣寒冷條件上，高速磁浮列車(chē)起浮等工況使用鈦酸鋰電池電芯以大電流進(jìn)行放電可行。至于使用鈦酸鋰電池電芯作為車(chē)載電源，根據(jù)列車(chē)使用工況判斷是否為鋰電池設(shè)置加熱回路。

4.3 密封式電池電芯

與堿性電池相比，鈦酸鋰電池不會(huì)消耗電解液，也就無(wú)需定期地面注液維護(hù)工作。

4.4 內(nèi)設(shè)控制系統(tǒng)

圖4 某型號(hào)鈦酸鋰電池電芯不同溫度不同放電倍率曲線及溫升曲線

由于鈦酸鋰電池采用密封式電池電芯，因此在電池箱體內(nèi)部便可以設(shè)置電池管理系統(tǒng)（BMS）、接觸器、電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器等電氣器件，無(wú)需設(shè)置外圍電路等。

4.5 通風(fēng)系統(tǒng)

鈦酸鋰電池箱體內(nèi)部設(shè)置電池管理系統(tǒng)（BMS），可以單獨(dú)控制通風(fēng)系統(tǒng)。此外，鈦酸鋰電池相對(duì)于堿性電池的發(fā)熱效率很低，所以是否需要設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)還要根據(jù)列車(chē)使用工況進(jìn)行確定。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析說(shuō)明，相對(duì)于堿性電池，鋰電池作為高速磁浮列車(chē)車(chē)載電源不僅沒(méi)有記憶效應(yīng)、低溫性能好、可用電量大等，而且占用安裝空間小、重量輕、無(wú)返廠激活和地面注液等優(yōu)勢(shì)。所以，將鋰電池作為高速磁浮列車(chē)的車(chē)載電源不失為一種較為理想的選擇。這樣，有效解決高速磁懸浮列車(chē)在長(zhǎng)距離運(yùn)行時(shí)的任一地點(diǎn)啟動(dòng)和停車(chē)的供電技術(shù)問(wèn)題。