軌道交通輔助電池系統(tǒng)綜述

龍 源

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

1 引言

輔助電池系統(tǒng)在軌道交通領域得到廣泛的應用,是軌道交通車輛不可缺少的重要部件之一，對車輛正常運營具有重要影響。其在軌道交通中的主要應用場景有以下幾個。

(1)在車輛啟動時，利用輔助電池電源激活列車。進而為升受電弓、合主斷路器等操作過程中的接觸器、繼電器配置動作提供啟動能量[1]。

(2)作為內燃動力包啟動電源，在內燃動力包啟動過程短時高倍率放電。

(3)當整車在運行過程中外部電源或者車載直流輔助供電電源發(fā)生故障或切斷時，依靠輔助電池向整車的重要和應急的負載(如照明、緊急通風、門控系統(tǒng)等)供電，是整車最后一道供電保障。

(4)當整車在外部電源切斷時，依靠輔助電池向整車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、控制電路回路、照明、等部件提供電源。確保整車維護、檢修過程的安全、便捷[2]。

(5)另外，整車正常運行時輔助電池并入直流輔助回路也有利于穩(wěn)定直流電源的輸出電壓。

近年來軌道交通技術在快速發(fā)展，對輔助電池能量配置、功率配置、溫度適應性、安全性、功能擴展等方面也提出了更高的要求。本文將針對軌道交通輔助電池的應用情況、主要技術特點以及未來發(fā)展方向等方面開展論述。

2 輔助電池應用分類和比較

2.1 電池分類

輔助電池隨著電池的技術發(fā)展而不斷變化，在最初始采用鉛酸電池[3]和鎳鎘電池[4]作為輔助電池，這兩種電池性能穩(wěn)定、結構簡單，維護方便、不需要額外的管理系統(tǒng)或者附加電子器件對電池進行管理。

隨著對環(huán)保和安全的要求越來越高，以及車輛對輔助電池的功能和容量的要求也越來越多。鎳氫電池由于其安全性高、循環(huán)壽命長、抗濫用(過度充放)能力強[5]等優(yōu)勢越來越多的得到應用。[6]鋰電池在電動汽車領域應用已經(jīng)接近成熟，在軌道交通應用也發(fā)展迅速。鋰電池在軌道交通動力電源[7]、應急牽引等應用場景也發(fā)揮著重要的作用[8]。

另外二次電池中還有很多其他電池種類，由于成本經(jīng)濟性(如氧化銀電池、鎘銀電池、氫電極電池)、能量密度(如鎳鐵電池)、循環(huán)壽命(如鎳鋅電池、氧化銀電池、鋅/二氧化錳電池)等原因尚未在軌道交通的輔助電源形成規(guī)模應用。

2.2 電池比較

由于電池的具體性能與電池的設計特點、特定使用環(huán)境和充放電條件密切相關。同時，每一種電池根據(jù)正負極材料、極板類型、單體密封形式、電解液封裝形式等局部材料、結構差異會有更為細致的電池類型劃分，電池類型紛繁多樣。

因此，本文對電池的比較主要從定性角度近似比較，從橫向角度看出每一種電池的性能特點。電池特性比較如表1所示。

表1 不同電池特性比較[9]Table 1 Comparison of different battery characteristics[9].

各種電池綜合性能比較如表2所示。電池的特性各異，針對不同蓄電池類型的選擇，需要根據(jù)整車運營工況要求、電池特性和綜合成本選擇電池配置方案。

表2 不同電池綜合性能比較Table 2 Comparison of comprehensive performance of different batteries.

3 輔助電池系統(tǒng)技術要求

3.1 輔助電池系統(tǒng)組成

輔助電池系統(tǒng)通常由蓄電池單體、模塊、電池支架、托盤、箱體等全部或者部分部件組成，圖1是一個典型的輔助電池系統(tǒng)示例[10,11]。

圖1 輔助電池系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of auxiliary battery sycomposition.

3.2 機械結構

3.2.1 內部布置結構

輔助電池系統(tǒng)的機械接口主要包括電池系統(tǒng)在車上的安裝位置、箱內布置結構、通風接口等。

電池系統(tǒng)通?？梢愿鶕?jù)整車設備布置情況安裝在車頂、車內機械間以及車下屏柜內。電池箱內依據(jù)托盤與箱體的接口形式主要分為固定式安裝、滑動式安裝、滾動式安裝三種方式。詳見圖2[11]。

圖2 電池三種安裝結構示意圖。(a)固定式安裝；(b)滾動托盤安裝；(c)滑動托盤安裝Fig.2 Schematic diagram of three battery installation structures.(a) Fixed installation;(b) Rolling tray installation;(c) Sliding tray installation.

3.2.2 通風要求

電池系統(tǒng)通風的作用主要有兩個：

1.防止鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池在使用過程中溢出的氫氣聚集，根據(jù)IEC 62485-2:2010標準計算通風流量，確保氫氣濃度低于4%；

2.對電池進行散熱冷卻。通常輔助電池功率比較小，對散熱冷卻的需求不大。建議首選自然通風的方式。鋰離子電池在運行過程中沒有析氫要求，可以根據(jù)實際工況選擇采用無通風形式結構。

3.2.2 安全與防護

電池的托盤或者箱體應該能夠承受電解液腐蝕(如鉛酸電池的酸性電解液、鎳鎘電池的堿性電解液等)，并從結構上防止電解液流動到箱外等其他區(qū)域。

隨著車輛安全等級要求越來越高，電池系統(tǒng)防火等級要求也在提升。電池系統(tǒng)防火涉及到材料阻燃性、煙霧產(chǎn)生程度和低毒/無毒性的相關要求，通常電池的電解液等材料為導電、易燃的材料，電池系統(tǒng)需要從箱體結構層面開展防火設計，實現(xiàn)對火、煙、毒氣的有效隔斷[12]。

針對富液式鉛酸蓄電池和鎳鎘電池的加液系統(tǒng)需設置阻火器，以防止外部火焰或火花進入電池，從而導致內部爆炸，從而導致電解液飛濺。

3.3 電氣接口

輔助電池系統(tǒng)的電氣接口主要包括與地面電源、車載充電機、輔助負載的相關接口。根據(jù)不同整車需求和電池類型有不同的接口配置，例如鋰離子電池的電池管理系統(tǒng)就相對增加了管理系統(tǒng)(BMS)的供電接口、通訊接口和控制保護電路接口[13]。典型的輔助電池系統(tǒng)電氣接口如下圖3。

圖3 電氣接口示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrical interface installation.

蓄電池溫度傳感器的作用主要是監(jiān)測電池溫度，用于蓄電池充電時的溫度補償。二次電池的充電容量受到工作溫度的影響，當電池溫度較低時，需要較高的充電電壓;當電池溫度超過允許工作溫度范圍(如鉛酸電池)時需要停止對電池系統(tǒng)充電。電池系統(tǒng)通常需要配置溫度傳感器進行溫度補償，溫度傳感器安裝位置接近蓄電池內部電解液溫度區(qū)域(如電池極柱、接線端子、電池表面等)。保護熔斷器和隔離開關主要用于當電池過溫、過充、饋電等故障狀態(tài)時對電池系統(tǒng)進行隔離和保護。

有些國家地區(qū)(如日本等)的鎳鎘電池、鎳氫電池等沒有配置相應的溫度傳感器，也沒有充電溫度補償功能。這種情況下通常采用低溫加熱、高溫保護切除等措施，同時在電池選型計算時需要考慮電池缺少溫度補償功能導致的額外電池能量配置要求。

3.4 系統(tǒng)環(huán)境條件

輔助電池首先應該滿足軌道交通所運營的實際線路和對應的環(huán)境氣候條件要求，另一方面，電池的性能和壽命又與環(huán)境條件息息相關。環(huán)境條件包括溫度、濕度、電氣絕緣、海拔、振動與沖擊環(huán)境等。按照軌道交通標準要求，輔助電池的環(huán)境條件主要滿足如下表示(表3)要求。

表3 環(huán)境條件要求Table 3 Environmental requirements.

具體應用中的溫度、濕度、海拔等條件可以根據(jù)實際環(huán)境條件進行調整。

3.5 系統(tǒng)電壓范圍

直流輔助供電系統(tǒng)按照電壓等級區(qū)分為不同等級，所有直流輔助負載需要在各電壓等級范圍內正常工作。根據(jù)IEC62973-1：2018和IEC60077-1:2017標準要求，目前世界上直流輔助供電電壓主要分類如下表示(表4)。

表4 電壓范圍Table 4 Voltage range.

24 V、72 V、110 V電壓等級在世界上應用較為普遍。中國的機車、動車組、地鐵車輛普遍應用110 V輔助電壓等級，24 V電壓等級也在有軌電車、調車機車、無軌電車等領域得到應用。另外，在日本87 V電壓、北美64 V電壓等特殊電壓等級范圍也在其特定國家區(qū)域的軌道交通領域得到應用。

值得一提的是，電池標準電壓的作用更多只是用于按照電壓等級區(qū)分直流輔助系統(tǒng)，并不等同于輔助電池系統(tǒng)的額定電壓。電池的電壓特性總是隨著放電過程而逐漸下降，隨著充電過程而逐漸上升，并不會在運用過程中長期處于恒定的某一電壓值。電池系統(tǒng)最重要的特性指標就是確保電池系統(tǒng)在直流負載的最高電壓和最低電壓范圍內，為直流負載提供所需要的能量。

由于不同電池的額定電壓不同(如鉛酸電池2.0 V額定電壓，鎳鎘電池1.2 V額定電壓)，電池系統(tǒng)的單體電池配置數(shù)量主要取決于其工作條件和電池特性。

3.6 電池系統(tǒng)配置

輔助電池的性能需要滿足整車的運用工況要求。因此，電池系統(tǒng)在設計之初需要結合整車工況需求對電池系統(tǒng)進行匹配，實現(xiàn)電池系統(tǒng)更好的性能。[14]

1.確保電池系統(tǒng)的能量、功率等性能滿足整車工況需求；

2.確保電池系統(tǒng)滿足整車使用壽命的要求；

3.避免電池系統(tǒng)的能量和功率超過整車工況需求而造成電池系統(tǒng)的性能過剩、系統(tǒng)重量和體積的增加以及系統(tǒng)成本的增加。

電池系統(tǒng)的匹配需要結合電池的溫度、容量、電壓、負載情況等實際條件綜合考慮分析。電池配置所需要的輸入條件如下表示(表5)。

表5 電池系統(tǒng)配置的輸入條件Table 5 Input conditions for battery system configuration.

(1)標注b的為日本市場軌道交通電壓范圍，遵循JIS E 5004-1標準。

3.7 系統(tǒng)充電

不同的電池類型的充電特性各不相同。通常采用先恒流-再恒壓的充電方式，恒流充電階段的主要目的是在電池容量較低時以較大的電流充電以縮短充電時間，同時避免電池在容量偏低時的電流過大影響電池壽命和特性；恒壓充電階段的主要目的是當電池容量較高時持續(xù)以較小電流向電池充電，同時避免電池過壓導致電池故障。鎳氫電池由于其充放電倍率高、電池耐過充性能優(yōu)良，采用恒流充電方式既可以滿足充電特性需求。圖4是一個典型的鎳鎘電池按照先恒流-再恒壓充電策略的特性曲線。

圖4 典型的鎳鎘電池充電特性曲線Fig.4 Typical Ni-Cd battery charging characteristic curve.

電池系統(tǒng)溫度的檢測精度可能受到傳感器類型、傳感器電纜壓降、傳感器安裝位置、溫度采集模塊的影響。如果輔助電池的充電過程對溫度敏感程度高，則需要在輔助電池系統(tǒng)設計中考慮到相關因素對檢測精度的影響，并在充電階段采取補償措施。

3.8 系統(tǒng)放電

除了正常滿足車輛工況條件下的放電過程。電池系統(tǒng)還存在特殊情況下的深度放電(放電容量超過了正常設計值)工況。深度放電可能會導致電池系統(tǒng)壽命減少(如鉛酸電池)、可用容量降低(如鎳鎘電池)、電池熱失控引起火災(如鋰電池)等風險。

通常電池系統(tǒng)需要配置低壓隔離保護裝置，避免電池系統(tǒng)深度放電。同時，在深度放電后采用合適的電池充電方案(各電池廠商方案)，能夠有效恢復可用容量等性能。

3.9 存儲和運輸

富液式鉛酸電池和鎳鎘電池在運輸過程中通常需要確保電池極柱朝上垂向固定，以避免電解液泄露。

通常電池存儲環(huán)境要求室內干燥，清潔，無太陽直射的環(huán)境。需要斷開電池與其他電氣元件(如管理系統(tǒng)、負載、充電機)的電氣連接。電池的存儲時的荷電狀態(tài)取決于各電池特性。如鉛酸電池、鋰電池通常要求以高于一定電池容量下進行存儲，并進行定期充電。鎳鎘電池則建議電池以完全放電狀態(tài)下狀態(tài)進行長時間存儲。

3.10 系統(tǒng)試驗

電池系統(tǒng)試驗的目的是驗證其滿足相應的標準規(guī)范要求，不同類型的電池有不同的試驗標準和試驗項點。電池系統(tǒng)主要試驗項點如下表示(表6)[15]。

表6 電池試驗項點Table 6 Battery test items.

4 總結與展望

輔助電池系統(tǒng)是軌道交通車輛中必不可少的部件之一，隨著軌道交通技術的不斷發(fā)展，輔助電池系統(tǒng)也從原來單一的備用應急輔助電源功能轉向為更多功能的儲能系統(tǒng)。從目前應用情況來看，輔助電池系統(tǒng)未來的發(fā)展方向主要有：

(1)更高的能量配置。隨著軌道交通的發(fā)展，大容量的輔助電池能夠在整車斷電時的檢修維護工作提供更長輔助負載的供電時間，軌道交通也要求在整車外部電源故障切斷時能夠為乘客提供更安全可靠的客室環(huán)境(緊急通風、緊急照明等)。因此大容量的輔助電池系統(tǒng)是未來的重要發(fā)展方向。

(2)更多的功能擴展。輔助電池越來越多的承擔著輔助供電之外的功能。電力機車利用輔助電池為庫內動車提供動力電源[16]；日立公司的有軌電車利用電池抬高直流母線電壓以提升整車再生制動功率[17]。地鐵利用輔助電池作為應急動力電源，驅動地鐵列車應急牽引等功能[18]。

(3)混合系統(tǒng)。內燃動力包啟動時需要很大電流。采用超級電容與輔助電池共同為內燃動力包提供啟動電源的方式，能夠有效實現(xiàn)低溫環(huán)境下內燃動力包的啟動，延長電池使用壽命[19]?？梢韵胍?，隨著輔助電池系統(tǒng)功能的豐富和擴展，混合系統(tǒng)也將得到更多的應用。

(4)動力電池和輔助電池融合集成。動力電池越來越多的在軌道交通領域得到應用，雖然動力電池和輔助電池在運用工況、系統(tǒng)配置方面存在較大差異，但動力電池性能能夠向下兼容輔助電池。將動力電池與輔助電池匹配集成，能夠提升輔助系統(tǒng)性能(延長電池放電持續(xù)時間和提升電池放電功率)，并有效減少設備安裝空間和重量、降低系統(tǒng)采購成本、減少電池系統(tǒng)檢修維護工作量。

龍源,男,碩士研究生學歷,湖南漣源人,高級工程師,就職于中車株洲電力機車有限公司,研發(fā)經(jīng)理,主要研究軌道交通新能源技術方向。