中低速磁浮列車懸浮蓄電池選型設(shè)計(jì)研究＊

李林

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

中低速磁浮列車?yán)脩腋‰姶盆F的電磁吸力使列車懸浮于軌道上，通過(guò)直線電機(jī)牽引列車前進(jìn)。由于磁浮列車部分運(yùn)行線路的不平順與車軌耦合等因素，懸浮電磁鐵中的電流會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致列車懸浮不穩(wěn)，需要補(bǔ)償列車330V電源的能量及調(diào)節(jié)和穩(wěn)定330V母線電壓。同時(shí)，中低速磁浮列車運(yùn)行時(shí)若發(fā)生供電故障，懸浮力將消失而引起落車。中低速磁浮列車的懸浮電磁鐵是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵設(shè)備，當(dāng)車輛懸浮電源失效時(shí)作為懸浮系統(tǒng)的救援電源使用，因此本文針對(duì)長(zhǎng)沙磁浮列車的需求特點(diǎn)，進(jìn)行懸浮蓄電池的選型設(shè)計(jì)分析。

1 懸浮供電的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

如圖1所示中低速磁浮列車每節(jié)車設(shè)置一臺(tái)330V懸浮電源（DC/DC變流器）及一組330V蓄電池箱，DC330V電網(wǎng)貫穿全車提供330V電能給懸浮控制器，懸浮電源兼作蓄電池充電器［1］。

圖1 懸浮供電電網(wǎng)

DC330V通過(guò)低壓柜配電，分配給20個(gè)懸浮控制器;圖2中懸浮控制單元的懸浮控制器控制1個(gè)電磁鐵上的2個(gè)磁極；2個(gè)磁極采用串聯(lián)方式［2］。每個(gè)懸浮控制器采集懸浮傳感器輸出的懸浮間隙與加速度信號(hào)，通過(guò)算法模型得到電磁鐵所需的電磁吸力，控制懸浮電磁鐵需要的電流。

圖2 懸浮控制單元

2 車輛對(duì)懸浮蓄電池的要求

2.1 懸浮控制補(bǔ)充調(diào)節(jié)作用

經(jīng)過(guò)不同軌道基頻或不平順的路段時(shí)，懸浮控制器通過(guò)其算法改變電流車抑制車輛在道岔、共振，實(shí)現(xiàn)車輛無(wú)接觸運(yùn)行。懸浮控制器調(diào)節(jié)過(guò)程中，懸浮電磁鐵中的電流會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，需要蓄電池及時(shí)補(bǔ)償列車330V電源的能量及調(diào)節(jié)和穩(wěn)定330V母線電壓。

圖3是中低速磁浮列車運(yùn)行速度與懸浮蓄電池充放電流、電壓波關(guān)聯(lián)圖，列車運(yùn)行過(guò)程中，蓄電池的充放電流一致存在；列車靜態(tài)懸浮時(shí)，蓄電池充放電流相對(duì)較小，隨機(jī)也會(huì)產(chǎn)生尖峰。

圖3 蓄電池的補(bǔ)充調(diào)節(jié)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄圖

2.2 車輛應(yīng)急故障及救援

懸浮蓄電池滿足單獨(dú)實(shí)現(xiàn)整列車的懸浮15min需求。中低速磁浮列車采用3節(jié)或6車編組，每節(jié)車有5個(gè)懸浮架，每個(gè)懸浮架有左右兩個(gè)懸浮塊，每個(gè)懸浮塊安裝4個(gè)電磁鐵。每個(gè)電磁鐵裝有4個(gè)磁極。在電磁鐵上的線圈通電時(shí)，產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁吸力來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮，保證列車無(wú)接觸運(yùn)行。根據(jù)磁浮列車HSST-100L的經(jīng)驗(yàn)公式，1T對(duì)應(yīng)的功率P=0.004V+0.7，效率取0.9，對(duì)應(yīng)的單位kW。中低速磁浮列車每節(jié)車AW3工況，車重約為33.4T，則功率為：

P=（0.004×100+0.7）×33=36.3kW

每節(jié)車蓄電池的容量不小于

C=P*T-36.3*0.25=9kW

2.3 整車對(duì)蓄電池要求

中低速磁浮列車為電磁懸浮，對(duì)其自重有嚴(yán)格要求，為增大載重及提高列車運(yùn)行可靠性，在進(jìn)行蓄電池需求分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其輕量化、高能量密度的蓄電池選型研究具有重要意義。

3 蓄電池匹配分析

3.1 蓄電池類型確定

動(dòng)力型電池主要有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及傳統(tǒng)的鉛酸電池。與其它蓄電池相比，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、快速充入電、自放電率低、工作溫度范圍寬、免維護(hù)和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)［3］。表1列出了三種主流的動(dòng)力電池：三元?jiǎng)恿︿囯姵?、磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰離子電池、鈦酸鋰動(dòng)力鋰離子電池。

表1 主流動(dòng)力鋰離子電池性能比較

3.2 安全及標(biāo)準(zhǔn)分析

鋰電池技術(shù)目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車領(lǐng)域大量應(yīng)用，逐步廣泛試用于軌道交通領(lǐng)域，包括動(dòng)車、城軌列車、調(diào)車機(jī)車多種車型，部分有軌電車項(xiàng)目已進(jìn)入試運(yùn)行及批量應(yīng)用階段。影響車輛安全的因素主要有電池著火、冒煙等風(fēng)險(xiǎn)，主要原因包括析鋰、外部短路、內(nèi)部短路、過(guò)充。鋰離子安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，借鑒電動(dòng)汽車領(lǐng)域已經(jīng)形成的較為完善的動(dòng)力鋰離子電池測(cè)試價(jià)體系，構(gòu)建從單體、模塊、系統(tǒng)三個(gè)層級(jí)，涵蓋電池關(guān)鍵電性能、壽命和安全性三個(gè)面的電池綜合性能的標(biāo)準(zhǔn)體系［4］。GB/T31485、GB/T31486、GB/T31486分別規(guī)定電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法、性能要求及試驗(yàn)方法、性能的測(cè)試方法。行業(yè)內(nèi)，中鐵路總公司標(biāo)準(zhǔn)系列TJ/JW125-2020、TJ/JW127-2020分別覆蓋機(jī)車、動(dòng)車組用鋰離子動(dòng)力電池綜合性能評(píng)估、試驗(yàn)暫行技術(shù)規(guī)范。

中低速鋰電池的保護(hù)功能由蓄電池管理系統(tǒng)BMS和車載控制系統(tǒng)兩部分協(xié)調(diào)完成。車載控制系統(tǒng)主要依據(jù)BMS的監(jiān)測(cè)結(jié)果完成對(duì)蓄電池組外部充/放電電路的控制，并在有危及蓄電池的情況下及時(shí)反饋；緊急情況下切除充/放電支路等措施對(duì)蓄電池組進(jìn)行保護(hù)［5］。

3.3 電壓及節(jié)數(shù)

（1）單體電壓：?jiǎn)误w電池為鋁殼容器中裝有高功率的磷酸鐵鋰單體電池。如圖4所示，標(biāo)稱電壓：3.2V，放電截止電壓：2.3V，充電截止電壓：3.65V。

圖4 單體電池倍率放曲線

（2）節(jié)數(shù)與電網(wǎng)電壓匹配：懸浮電源兼作蓄電池充電器，恒壓限流方式進(jìn)行浮充電。正常工況下，懸浮電網(wǎng)的電壓維持在蓄電池飽和電壓之上低于充電截止電壓。以設(shè)定蓄電池單體的均衡電壓點(diǎn)3.50V，取懸浮電源的設(shè)定電壓335V，節(jié)數(shù)為：335/3.5=95.7，取96節(jié)。

第一階段恒流充電階段，充電電流Id一般設(shè)置為0.5-0.8C，懸浮控制高頻震蕩調(diào)節(jié)所需電流，取0.8C；升壓（U0=331.2V，3.45伏/節(jié)）升壓）充電轉(zhuǎn)換至浮充電（340.8V，3.55 伏/節(jié)）浮充）。

4 蓄電池容量

單節(jié)車設(shè)置9kW蓄電池容量。綜合最低可用放電電壓、放電倍率、環(huán)境溫度、容量衰減等因素，并結(jié)合懸浮控制系統(tǒng)穩(wěn)定要求電壓不易低于290V（折合單體電芯3.02V，約為容量0.85），蓄電池的理論容量：

其中，蓄電池-3℃以上低溫放電能力為0.9，充電、放電倍率效率折算0.9，壽命系數(shù)為0.85，容量大約為46Ah。電池組由192節(jié)（96節(jié)×2）3.2V/23Ah電池模塊和1個(gè)控制模塊組成，一共192節(jié)型單體電池串并聯(lián)組成，放在1個(gè)電池箱中，其電池組的標(biāo)稱電壓為307.2V，最高電壓為330V。

5 結(jié)論

酸鐵鋰蓄電池組在長(zhǎng)沙磁浮快線上已于2016年開始投入運(yùn)營(yíng)，懸浮蓄電池的設(shè)計(jì)選型也在多年的安全運(yùn)營(yíng)中得到檢驗(yàn)，滿足中低速磁浮列車對(duì)懸浮蓄電池輕量化、高能量密度、高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低成本的要求。