關(guān)于動車組蓄電池供電自走行技術(shù)的研究

馬升潘，馮慶鵬，周建升，王雙全

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

當(dāng)高速鐵路線路發(fā)生弓網(wǎng)故障或者動車組車頂高壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致動車組無法繼續(xù)行駛時，動車組需停車等待救援動車組或機車來救援。在線路上停車等待會嚴(yán)重影響運營秩序，同時停車等待救援時間太長也會導(dǎo)致車廂內(nèi)高溫、缺氧等客室環(huán)境質(zhì)量下降問題，影響乘客的旅行體驗。

城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)生供電故障時，配有自走行功能的地鐵和輕軌車輛可通過車載儲能系統(tǒng)走行至就近車站，通常走行距離短(不超過2 km)且速度較低[1]。與地鐵車輛相比，動車組在供電制式及線路條件等方面差異較大且更為苛刻，研究尚處于初步階段。針對該問題，本文基于某型動車組平臺提出了一種適用于動車組的蓄電池供電自走行技術(shù)方案。

1 自走行功能系統(tǒng)組成

1.1 列車自走行配置

基于某型動車組現(xiàn)車牽引及輔助系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，通過提升電能儲存和增加功率轉(zhuǎn)換模塊組成蓄電池自走行系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括牽引變流器(牽引逆變器、輔助變流器)、牽引電動機、雙向充電機及鋰電池。

某型動車組為動力分散式單層動車組，采用8輛車編組，動拖車配置采用“4動4拖”的牽引架構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)車車下布置情況及車重均衡需求，分別在1、2、7、8車各配置1臺雙向充電機和1組鋰電池，整車蓄電池供電自走行功能電氣架構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 某型動車組整車蓄電池供電自走行功能電氣架構(gòu)圖

動車組在應(yīng)急自走行工況時，配置在2、4、7車的TBK1、TBK2、TBK3三相母線隔離接觸器均斷開，形成自走行牽引單元應(yīng)急供電分組，如表1所示。各鋰電池組僅對其應(yīng)急供電分組內(nèi)雙向充電機和牽引變流器供電。

1.2 蓄電池供電自走行功能拓?fù)湓O(shè)計

圖2為動車組蓄電池供電自走行功能拓?fù)鋱D。當(dāng)動車組正常運行時，雙向充電機以正向模式工作，將輔助變流器輸出的AC 380 V電源轉(zhuǎn)換為DC 110 V電源為車上直流負(fù)載供電，同時為蓄電池進(jìn)行在線充電，如圖2中綠色箭頭所示。當(dāng)動車組蓄電池供電自走行時，蓄電池輸出DC 110 V電源為雙向充電機和車上直流負(fù)載供電，雙向充電機以反向模式工作，將蓄電池輸出的DC 110 V電源逆變?yōu)锳C 380 V電源供給輔助變流器。輔助變流器將AC 380 V電源升壓整流轉(zhuǎn)換為牽引變流器中間直流電，再通過牽引逆變器逆變?yōu)榻涣麟婒?qū)動牽引電動機工作，如圖2中紅色箭頭所示。

圖2 動車組蓄電池供電自走行功能拓?fù)鋱D

2 工況及需求分析

2.1 工況設(shè)定

整列車質(zhì)量為496 t，車輪新輪直徑為920 mm，靜摩擦阻力為24.3 kN，剩余加速度為0.05 m/s2,啟動牽引力為256 kN，牽引電動機為三相鼠籠式異步牽引電動機。以兼顧應(yīng)急空調(diào)工作為目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)車車下設(shè)備允許空間及車重均衡要求進(jìn)行蓄電池選型設(shè)計，以實現(xiàn)應(yīng)急自走行里程20 km(包含5 km 5‰坡道及15 km平直道)。

當(dāng)輔助變流器輸入電壓為三相AC 380 V、牽引系統(tǒng)輸出最大功率時，牽引變流器中間直流回路電壓基本穩(wěn)定在DC 1 600 V，考慮中間電壓紋波5%，最低中間電壓為DC 1 520 V。當(dāng)中間電壓為DC 1 520 V時，對應(yīng)牽引逆變器輸出最高電壓為DC 1 185 V，對應(yīng)最高列車速度為86 km/h。按整車直流DC 110 V、負(fù)載功率26.4 kW，分別核算30 km/h和50 km/h 兩種典型工況下的能耗情況如下：

(1) 列車速度為30 km/h時，整車以256 kN恒力啟動，2.5 km/h開始進(jìn)入恒功率，5 km 5‰坡道+15 km平直道工況下，列車運行時間約43 min,牽引耗能為92.3 kW·h，其他負(fù)載耗能為38.4 kW·h，總能耗為130.7 kW·h。

(2) 列車速度為50 km/h時，整車以256 kN恒力啟動，2.5 km/h開始進(jìn)入恒功率，5 km 5‰坡道+15 km平直道、全列通風(fēng)工況下，列車運行時間約32.8 min,牽引耗能為110.5 kW·h，所需蓄電池總電量為131 kW·h。

2.2 蓄電池需求分析

在5 km 5‰坡道+15 km平直道工況蓄電池供電自走行時各設(shè)備功率與動車組速度關(guān)系仿真曲線如圖3所示。

圖3 蓄電池供電自走行時各設(shè)備功率與動車組速度關(guān)系仿真曲線

選取最苛刻工況即在5 km 5‰的坡道上完成啟動及加速階段。由圖3及計算可知，蓄電池最大輸出電流在列車啟動階段為2 400 A，該電流輸出持續(xù)時間5 s；列車完成5 km 5‰的坡道時速度為24 km/h,所需時間為782 s，蓄電池輸出平均電流為933 A；列車行駛至7.69 km時，速度第1次達(dá)到50 km/h，完成20 km的行駛共用時1 915 s。

3 蓄電池分析設(shè)計

3.1 蓄電池選型

為滿足實際應(yīng)用需求，考慮到動車組對蓄電池快速充放電、低溫性能、使用壽命、安全性和能量密度要求，本技術(shù)方案選用鈦酸鋰電池，電芯型號為NP2211F10FHA，該電芯具備以下優(yōu)點：

(1) 能量密度高。其質(zhì)量能量密度為70～160 W·h/kg，體積能量密度為140～160 W·h/L。

(2) 安全性能高。鈦酸鋰本身不可燃，低溫高倍率充電不會析出鋰金屬，避免電池內(nèi)發(fā)生短路。當(dāng)外部出現(xiàn)短路故障時，電芯內(nèi)部歐姆阻抗急劇增加，不會引起過大的瞬間電流和溫度上升。

(3) 使用壽命長。在25 ℃恒溫環(huán)境下以3C倍率充放電，循環(huán)次數(shù)達(dá)15 000次。

(4) 高功率性能。在25 ℃恒溫環(huán)境下以5C倍率持續(xù)充放電。

(5) 低溫特性。在-30 ℃環(huán)境下可釋放80%電量，-40 ℃下可釋放65%電量。恢復(fù)25 ℃時，不出現(xiàn)電芯壽命衰減。

綜上，選擇鈦酸鋰電池可以滿足動車組啟動時短時大電流的放電沖擊需求，同時，該電池具有安全系數(shù)高、可循環(huán)使用壽命長、在低溫環(huán)境下可用電量高、放電性能好的特點，可滿足動車組應(yīng)急牽引功能的需求[2]。

單組鋰電池設(shè)計容量為520 A·h，全列蓄電池容量為2 080 A·h(215.3 kW·h)。蓄電池放電系數(shù)取0.8，剩余電量取10%，則可用容量為1 497 A·h(約為155 kW·h)，滿足設(shè)計需求。

3.2 蓄電池外圍電路設(shè)計

鋰電池系統(tǒng)主要由電池模組、高壓部件、電池管理系統(tǒng)(BMS)、線纜及電池箱組成。BMS采用分布式結(jié)構(gòu)，由主控單元和信息處理單元構(gòu)成，主控單元作為系統(tǒng)總成的控制與管理核心單元，負(fù)責(zé)電氣回路的上下電控制；信息處理單元對各單體電池電壓、溫度信息進(jìn)行采集并與充電機進(jìn)行實時通信。鋰電池系統(tǒng)充放電原理圖見圖4。

圖4 鋰電池系統(tǒng)充放電原理示意圖

圖4中，蓄電池組負(fù)極設(shè)置保險FU3，正極應(yīng)急牽引設(shè)置保險FU1，輔助輸出及充電支路設(shè)置保險FU2。上述保險在其所在回路出現(xiàn)過流、短路保護(hù)時將斷開回路，可避免故障進(jìn)一步惡化。

充電支路中設(shè)置預(yù)充回路(預(yù)充電接觸器KA1、充電限流電阻R1)，可避免充電機內(nèi)容性負(fù)載在蓄電池對外供電時引發(fā)電流沖擊。

動車組正常行駛時，接觸器KM2閉合，通過雙向充電機對蓄電池進(jìn)行在線充電，此時的電流流向如圖4中綠色虛線A所示。充電機將AC 380 V，50 Hz轉(zhuǎn)化為DC 110 V，雙向充電機內(nèi)部接觸器BatK1閉合輸出給直流母線上負(fù)載設(shè)備供電，如圖4中綠色虛線C所示。

在應(yīng)急自走行工況下，接觸器KM1、KM2閉合，此時的電流流向如圖4中紅色虛線B所示，蓄電池同時為雙向充電機和直流母線供電，雙向充電機將直流電轉(zhuǎn)換為AC 380 V，50 Hz輸出給輔助變流器。

3.3 蓄電池能力仿真

鋰電池具備快速充放電的電氣特性，為保證現(xiàn)車的安全并結(jié)合現(xiàn)車直流負(fù)載與雙向充電機額定功率，約定鋰電池組充電電流為260 A，精度±5%。鋰電池本身有內(nèi)阻特性，若降低充電電流，電池電壓也會相應(yīng)降低，鋰電池組充電仿真曲線見圖5。

圖5 鋰電池組充電仿真曲線

如圖5所示，0～6 780 s內(nèi)，鋰電池組充電電流為260 A，最高允許充電電壓為116 V，當(dāng)單體鋰電池電壓達(dá)到2.55 V時則進(jìn)入降電流充電階段，圖5中的a、b、c、d點分別對應(yīng)單體鋰電池電壓在1個充電循環(huán)周期內(nèi)不同充電電流充電達(dá)到2.55 V時的對應(yīng)點，當(dāng)?shù)?次單體鋰電池電壓達(dá)到2.55 V時(即d點)，鋰電池進(jìn)入恒壓浮充階段，此時最高允許充電電壓為115 V，充電電流<10(±4) A。當(dāng)鋰電池組放電至單體電壓<2.4 V，且總電壓<108 V時，退出浮充電階段，開始新的循環(huán)充電過程。

4 地面組合試驗

牽引系統(tǒng)地面組合試驗用部件包括蓄電池(520 A·h鋰電池)、雙向充電機(正向充電額定功率為50 kW，反向放電額定功率分別為240 kW、3 s，120 kW、10 min，80 kW、30 min)、牽引變流器和4臺牽引電動機。車速計算輪徑為920 mm,傳動比為2.517。牽引電動機處于牽引工況、冷態(tài)時的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線見圖6。

圖6 地面組合試驗牽引電動機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

對整車啟動加速過程進(jìn)行分析，由圖6可知，當(dāng)牽引電動機轉(zhuǎn)速在29～1 161 r/min時，電動機轉(zhuǎn)速點的實測轉(zhuǎn)矩達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)矩的100%以上。不同轉(zhuǎn)速點的蓄電池輸出電壓、電流，雙向充電機輸出的電壓、電流和功率，電動機輸出機械功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，電動機效率等均符合地面組合試驗大綱要求。列車的速度變化見圖7。根據(jù)圖7中的數(shù)據(jù)，動車組從開始運行到加速至30 km/h所需時間為94 s，即0～30 km/h平均加速度為0.089 m/s2，完全滿足現(xiàn)車啟動的技術(shù)需求。

圖7 列車速度變化圖

5 結(jié)束語

針對弓網(wǎng)故障工況下動車組蓄電池供電自走行技術(shù)的需求，結(jié)合某型動車組牽引及輔助系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種增大蓄電池容量和采用雙向充電機的技術(shù)方案。

本文首先對蓄電池的需求進(jìn)行了分析，明確了蓄電池容量大小，結(jié)合動車組啟動、運行需求重點對鋰電池的快速充放電能力、低溫放電能力、使用壽命等電氣特性的符合性進(jìn)行了分析，對鋰電池外圍電路進(jìn)行了設(shè)計，并結(jié)合充電機帶載能力對鋰電池充電過程進(jìn)行了仿真，最后通過地面組合試驗，驗證了該技術(shù)方案的可行性，對該技術(shù)在動車組上的應(yīng)用實施提供了技術(shù)支撐。