高速磁浮列車車載電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

郭建宇

（上海磁浮交通發(fā)展有限公司，上海 201204）

0 引 言

上海磁浮示范運營線是我國第一條高速磁浮運營線，自2002年年底開通運營以來已安全穩(wěn)定運行18年，與傳統(tǒng)的軌道交通運輸系統(tǒng)相比，磁浮擁有更高的速度和更大的提速空間，具有運行速度高、爬坡能力強、能耗低、安全、噪聲相對較低等優(yōu)勢，常態(tài)最高運行速度可達431 km/h。

磁浮列車蓄電池組是磁浮列車電網(wǎng)的重要組成部分，除了具備應(yīng)急電源的功能外，還是車輛電網(wǎng)系統(tǒng)與外部高壓電網(wǎng)之間重要的能量“緩沖池”。目前軌道交通車輛上主要使用的蓄電池有兩大類：鉛酸電池和鎘鎳電池。經(jīng)過多年的發(fā)展和應(yīng)用，鉛酸電池不論在工藝和性能上都已經(jīng)比較成熟和穩(wěn)定，并且價格相對較低，得到了行業(yè)的廣泛應(yīng)用，但鉛酸電池也有它自身的缺點，比如體積大、充電時間長、壽命短等；反觀鎘鎳電池的體積更小、充放電性能好，維護方便，使用壽命長，并且鎘鎳電池堅硬的外殼可以很好的保護蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，成為磁浮列車蓄電池的理想選擇。

不同于常規(guī)的軌道交通車輛，磁浮列車在高速運行時屬于無接觸供電，磁浮列車蓄電池組的容量更大，在特定條件下能夠獨立支撐列車的運行。由于磁浮列車特殊的工作原理，在其正常運行過程中會對車載蓄電池組進行頻繁的充放電，電池相當(dāng)于一直是在工作狀態(tài)而不是處于備用狀態(tài)，電池本身溫度隨之上升。因此，對蓄電池組的工作狀態(tài)，特別是溫度的監(jiān)控對列車電網(wǎng)及列車安全都有著重要的影響。

1 高速磁浮列車電網(wǎng)

1.1 磁浮列車電網(wǎng)構(gòu)成

磁浮列車每節(jié)車輛的車載供電如圖1所示，主要包括：

（1）4個獨立的440 V直流車載電網(wǎng)（N1、N2、N3、N4），由車載鎘鎳電池系統(tǒng)作緩沖；

（2）4個獨立的帶緩沖的24 V直流車載電網(wǎng)（N5、N6、N7、N8），由冗余的DC/DC變流器供給；

（3）2個獨立的230 V交流車載電網(wǎng)（N9、N10），由DC/AC逆變器供電。

列車通過兩種方式獲取電力：線性發(fā)電機、動力軌。

（1）線性發(fā)電機供電：一個線性發(fā)電機由兩個嵌于懸浮磁極表面的閉合導(dǎo)電線圈并聯(lián)組成。當(dāng)列車運動時，線性發(fā)電機隨磁場變化產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢，列車運行速度越高，感應(yīng)電勢越高，然后經(jīng)由整流單元轉(zhuǎn)變成直流電。

（2）動力軌供電：列車通過伸出受流器與動力軌接觸受電。

當(dāng)列車靜止或速度低于20 km/h時由動力軌單獨供電。

當(dāng)列車速度大于20 km/h低于100 km/h時，動力軌、線性發(fā)電機同時給列車供電。當(dāng)列車速度大于100 km/h時，從線性發(fā)電機獲取的電力已能夠滿足車輛對電能的需求，受流器自動縮回。此時440 V蓄電池處于浮充狀態(tài)，440 V蓄電池要滿足渦流制動的能量要求，同時具備故障情況下可供使用的電量儲備。

1.2 磁浮列車蓄電池組

如圖2所示，一組440 V蓄電池由352個額定電壓1.2 V的鎘鎳電池單元串聯(lián)組成，放置于兩個蓄電池箱內(nèi)，容量27 Ah。一次通電過程中當(dāng)440 V蓄電池放電量累計達6.5 Ah時，列車產(chǎn)生報警信號“Kein_Zwangschalt”，將會強制停車于當(dāng)前停車點，直至報警消除才能再次正常發(fā)車。

每組24 V蓄電池由20個1.2 V的鎘鎳電池單元串聯(lián)組成，4組24 V蓄電池置于同一個蓄電池箱內(nèi)。24 V蓄電池主要用于異常情況下的緊急照明、緊急通信等。當(dāng)440 V電網(wǎng)故障時可以保證緊急功能至少1 h。

2 高速磁浮列車電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)原理

目前應(yīng)用比較廣泛的電池管理系統(tǒng)往往會對電池的電壓、溫度、充放電電流及電池容量等參數(shù)進行實時監(jiān)控，以保證電池運行的可靠性和高效性，從而延長電池的工作壽命，保障設(shè)備的安全。但由于上海磁浮示范運營線目前運營的車輛只有4列，相比大規(guī)模運行的動車組和城市軌道交通列車組，上海磁浮車載電池組數(shù)量相對較少，并且磁浮車載蓄電池組會定期在特定的設(shè)備上進行維護測試，以保證電池組的最佳工作狀態(tài)，因此，磁浮車載診斷系統(tǒng)中只設(shè)置了對電池溫度的實時監(jiān)測。

通常情況下，電池溫度每升高10 ℃，其電化學(xué)反應(yīng)速率增大一倍，但電池組本身的散熱速度只是呈線性變化。所以，如果對電池的溫度失控就可能造成比較大隱患或事故。為了對每個電池單元的最高預(yù)警溫度進行監(jiān)測，本系統(tǒng)采用圖3中的Protectowire感溫電纜對電池的溫度進行監(jiān)測。Protectowire感溫電纜可以理解成某種固定溫度閾值的傳感器，動作溫度為88 ℃，當(dāng)工作環(huán)境溫度達到閾值時，感溫電纜內(nèi)部兩條分別被熱敏聚合物薄膜包裹的導(dǎo)線接通。一條感溫電纜就像無數(shù)個溫度”傳感器”串聯(lián)一起，只要任一個“傳感器”監(jiān)測到高溫后即可觸發(fā)報警，反應(yīng)迅速、穩(wěn)定性高，原理如圖4所示。

為了避免灰塵、潮濕、振動對感溫電纜的影響，特在感溫電纜的外層使用聚四氟乙烯管（PTFE）進行了保護。 PTFE是一種熱塑性聚合物，兼容多種潤滑劑，其耐化學(xué)性遠遠優(yōu)于其它的密封材料。PTFE表面光滑、抗污能力強，且使用壽命更長，正常工作溫度范圍為可達-70～+200 ℃，同時能夠防止溫纜遭受電池爬堿的腐蝕，非常適合磁浮列車電池組的工作環(huán)境。

電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)中使用的電來自蓄電池組，在列車的正常運行過程中蓄電池組電壓超過108 V。本系統(tǒng)采用 THP 3-7222直流轉(zhuǎn)換器對輸入電壓進行轉(zhuǎn)換，其輸入電壓為36V～160V，輸出電壓為±12 V，絕緣標(biāo)準(zhǔn)高、抗電磁干擾能力強，特別適合在鐵路運輸系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

2.2 電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件實物

磁浮列車電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)由電池組本身供電，并根據(jù)電池箱實際空間被密封在一個絕緣的長方形殼體內(nèi)，感溫電纜由殼體相應(yīng)的孔處伸出，實物和安裝方式如圖5和圖6所示。

3 電池監(jiān)測系統(tǒng)測試

為了在線下對磁浮列車電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)進行測試，又在溫度監(jiān)控模塊中加入了測試按鈕PB，如圖7所示可以使用PB按鈕來模擬溫度電纜遇熱通路的情況發(fā)生。

當(dāng)PB按鈕未按下時，常閉繼電器所在測量通道2的兩接口之間通路，外圍電路狀態(tài)改變。

當(dāng)PB按鈕按下時，常閉繼電器上電斷開，測量通道2兩接口之間斷路，外圍電路狀態(tài)改變，測試結(jié)果如圖8、圖9所示。

目前已上車進行試驗的14組帶溫度監(jiān)測系統(tǒng)的電池組運行狀態(tài)良好，無誤報。

4 結(jié) 論

從線下測試和上車試驗的結(jié)果看，此種電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計簡單、可靠性強，能夠簡單有效的對電池高溫進行監(jiān)測并及時報警，對保障列車的安全運行起到了重要作用。

另外，此系統(tǒng)還有進一步優(yōu)化的地方，如對電池的電壓、電流等參數(shù)進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測到的電池的性能參數(shù)對電池的電荷狀態(tài)等進行估算，進行在線診斷，均衡管理充放電，保證電池處于良好的運行狀態(tài)，從而增加電池的壽命，提高經(jīng)濟效益。