基于車載電池的動車組緊急牽引動力源研究

李 俐

(中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035)

高速鐵路動車組依靠受電弓滑板與接觸網(wǎng)導線的滑動電接觸(弓網(wǎng)滑動電接觸)來實現(xiàn)電能供給[1]。在經(jīng)過接觸網(wǎng)的分相區(qū)時，由于分相區(qū)接觸網(wǎng)失電，動車組依靠自身慣性運行，當分相區(qū)坡道較大、車速較慢時，動車組在分相區(qū)內(nèi)有停車的風險，此時動車組無法依靠弓網(wǎng)滑動電接觸供能，而且占用行車道，需其他列車調(diào)運或救援，嚴重影響高鐵線路運營效率[2]。為了克服這一缺陷，本文提出了通過動車組自帶的蓄電池作為緊急牽引的動力源，實現(xiàn)列車低速行走，自行運行到接觸網(wǎng)有電區(qū)域的緊急牽引供電方案，改變了傳統(tǒng)列車分相區(qū)的緊急救援和調(diào)車模式，可減少救援調(diào)車成本和人員浪費。緊急自牽引技術在城市軌道交通中取得了一定的發(fā)展，但在動車組分相區(qū)緊急自牽引技術方面的研究，國內(nèi)外卻幾乎空白[3]。傳統(tǒng)的動車組車載DC 110 V蓄電池系統(tǒng)僅作為備用電源為車載空調(diào)、風機等輔助系統(tǒng)提供電力，將其用作緊急牽引動力源時，需要結合動車組牽引工況，對電池的性能參數(shù)、保護參數(shù)等進行重新設計，而目前尚未見相關文獻報道。本文結合高速鐵路動車組運行特點，提出了基于車載蓄電池的緊急牽引供電設計方案，對蓄電池容量、匹配性、充放電特性及電池管理系統(tǒng)等進行了論證分析，并對方案進行了模擬試驗驗證。

1 基于車載蓄電池的緊急牽引動力系統(tǒng)設計

1.1 總體方案

在列車運行過程中，當接觸網(wǎng)失電，列車被困于隧道或橋梁段時，需要進行緊急牽引，緊急牽引的主要能量來源是車載蓄電池?；谲囕d蓄電池的緊急牽引動力系統(tǒng)總體方案如圖1所示。當接觸網(wǎng)失電無法短時恢復、車輛處于緊急牽引模式時，采用蓄電池供電方式運行，利用DC/DC逆變模塊將蓄電池組輸出的DC 110 V直流電變換至DC 400 V直流電，再利用DC/AC三相逆變模塊將DC 400 V直流電再逆變成三相交流電，驅動三相交流電動機工作，實現(xiàn)緊急牽引，帶動列車運行至安全區(qū)域。

C.電池；D.二極管；Q.晶閘管。圖1 基于車載蓄電池的緊急牽引動力系統(tǒng)總體方案

1.2 蓄電池系統(tǒng)容量

緊急牽引動力系統(tǒng)的運行功率及電池容量指標要具有使動車組低速駛出無電區(qū)的能力。動車組無電通過的總長度為中性區(qū)段長度、斷電標距離中性段起點的長度、合電標距離中性段起點的長度、動車組斷主斷時距斷電標的距離、重聯(lián)動車組過分相控制邏輯差異補償距離之和，約為1 250 m[4]。由于列車緊急牽引距離非常短，基于運行安全考慮，緊急牽引速度定為10 km/h，列車駛出分相段的無電區(qū)需要用時7.5 min。以某和諧號動車組作為對象，通過牽引計算，動車組緊急牽引蓄電池系統(tǒng)需輸入的能耗為11.6 kWh。

目前動車組直流系統(tǒng)供電電壓為DC 110 V，考慮到兼容性，緊急牽引蓄電池系統(tǒng)的額定電壓也選定為110 V。

根據(jù)蓄電池系統(tǒng)能耗可計算蓄電池系統(tǒng)所需理論容量C0[5]：

(1)

式中：W——蓄電池系統(tǒng)能耗；

U——蓄電池系統(tǒng)額定電壓。

經(jīng)計算，C0為105.5 Ah。結合蓄電池自身低溫修正系數(shù)及放電深度等因素，考慮各種因素對計算結果進行修正。蓄電池系統(tǒng)的實際總容量C[5]為：

(2)

式中：λ1——低溫修正系數(shù)，取λ1=0.9；

λ2——充電效率，取λ2=0.9；

λ3——蓄電池老化系數(shù)，取λ3=0.8；

λ4——蓄電池大容量放電系數(shù)，取λ4=0.9。

經(jīng)計算，可以得到蓄電池系統(tǒng)的實際總容量C=180.8 Ah。考慮到蓄電池系統(tǒng)容量要有10%的冗余量，所以蓄電池系統(tǒng)容量選定為200 Ah。

1.3 蓄電池選型與模組結構

伴隨蓄電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電池制造工藝的改進，鋰離子電池技術趨于成熟，已經(jīng)作為動力系統(tǒng)廣泛應用于電動汽車。與傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池和鈉硫電池等不同的是：鋰離子電池的能量密度高，放電倍率高，允許的充電電流大，使用壽命長，環(huán)境污染小，更加適合作為動車組緊急牽引的動力電池。考慮到將蓄電池的低溫性能、使用壽命、安全性、能量密度作為主要要求指標，鈦酸鋰離子電池成為當今最適宜在動車組上使用的動力源之一[6]。

鈦酸鋰電池的單體額定電壓為2.3 V，額定容量為10 Ah，由于單體鈦酸鋰電池電壓低，容量小，放電電流小，在實際應用時，需要將單體電池進行串并聯(lián)組合以滿足容量需求。在動車組蓄電池緊急牽引系統(tǒng)中，為得到DC 110 V、200 Ah蓄電池組電壓容量要求，需將鈦酸鋰電池單體進行串并聯(lián)組合，首先將16個單體電池串聯(lián)組成串聯(lián)模塊，再將4個串聯(lián)模塊并聯(lián)組成電池模塊，每個電池模塊的電壓為36.8 V，額定容量為40 Ah。電池系統(tǒng)采用3個電池模塊串聯(lián)、5個串聯(lián)電池模塊組并聯(lián)的結構，電池組共采用15個電池模塊，電池系統(tǒng)額定電壓為110.4 V，容量為200 Ah。電池系統(tǒng)模塊框圖如圖2所示。

圖2 電池系統(tǒng)模塊框圖

采用這種電池模塊組合方式，首先，可以減小系統(tǒng)中能量單元，提高系統(tǒng)安全性；其次，任一個電池模塊都采用防水密封結構，可采用風冷對電池模塊進行散熱；第三，當任何一個電池模塊中的單體電池出現(xiàn)故障時，電池管理系統(tǒng)會將該電池模塊切除，保證整個電池組的使用安全。

1.4 蓄電池系統(tǒng)充電保護

由于動車組緊急牽引蓄電池與充電機輸出長期并聯(lián)，在保證正常工作情況下適當減小充電電流，以延長蓄電池組的使用壽命，選擇恒壓限流和浮充電方式完成充電，并根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整充電電壓[7]。充電機內(nèi)部控制器通過傳感器采集蓄電池箱內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，實時獲取蓄電池箱內(nèi)部溫度，根據(jù)蓄電池的溫度補償曲線控制輸出相應溫度下的充電電壓，以最大96 A的充電限流進行恒壓限流充電，蓄電池溫度補償曲線如圖3所示。溫度補償曲線中紅色為浮充電曲線，藍色為升壓充電曲線，根據(jù)蓄電池的充電電流大小進行溫度補償曲線的切換。當充電電流大于19 A時，充電機默認蓄電池處于虧電狀態(tài)，此時采用升壓充電曲線，通過提高輸入電壓實現(xiàn)大電流充電，快速給蓄電池補充能量；當充電電流小于13 A時，充電機默認蓄電池接近充滿，此時采用浮充電曲線，通過降低輸出電壓緩慢給蓄電池充滿電。

圖3 蓄電池溫度補償曲線

2 電池管理系統(tǒng)

2.1 電池管理系統(tǒng)架構

對于大功率鋰離子電池系統(tǒng)，蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)是必不可少的，其主要功能是實現(xiàn)對電池組內(nèi)單體電芯電壓、充放電電流、環(huán)境溫度、電池組的荷電狀態(tài)(SOC)等參數(shù)的檢測和計算，進行故障分析和信息上傳；并對蓄電池組單體電芯間和模塊間進行均衡，防止蓄電池組出現(xiàn)過充、過放、超溫、過流等問題，提高蓄電池單體間的一致性，保證工作安全及延長蓄電池使用壽命[8]。蓄電池管理系統(tǒng)采用主、從架構模式，每個電池模塊配備1個從模塊，如圖4所示。

J1.充電繼電器； J2.放電繼電器。圖4 蓄電池管理系統(tǒng)架構

2.2 電池組安全設計

為保證電池組的安全使用，需要多重保護措施，包含軟件、硬件安全設計、保護端口設計。

2.2.1 軟件安全設計

BMS檢測電池組中任意單體電壓過充、過放，電池組溫度過高、充放電電流過流等，當達到觸發(fā)條件時報警或關閉電池組的輸出端口，對電池組進行保護，詳細參數(shù)見表1。

2.2.2 硬件安全設計

BMS除軟件控制以外，還有過充和過放硬件保護電路，該電路完全獨立于BMS的其他電路。當檢測到任意單體電池電壓出現(xiàn)過充、過放達到觸發(fā)條件時，硬件電路自動切斷電池組的輸出端口，對電池組進行保護，詳細參數(shù)見表1。

表1 電池管理系統(tǒng)安全保護參數(shù)

2.2.3 保護端口設計

為防止異常情況下電池組系統(tǒng)出現(xiàn)過充、過放，BMS具有過充、過放保護功能，保護端口設計見圖5。

D1、D2.二極管。圖5 保護端口電路圖

保護端口工作邏輯如下：

(1) 當BMS檢測到電池組一切工作正常時，J1、J2同時閉合，電池組可以充電，也可以放電；

(2) 當BMS檢測到電池組出現(xiàn)過充時，J1閉合，J2斷開，此時電池組不能充電，但可以通過J2并聯(lián)的二極管進行放電；

(3) 當BMS檢測到電池組出現(xiàn)過放時，J1斷開，J2閉合，此時電池組不能放電，但可以通過J1并聯(lián)的二極管進行充電；

(4) 當BMS檢測到電池組出現(xiàn)溫度過高時，J1、J2斷開，此時電池組不能充放電。

2.3 均衡設計

大量電池串、并聯(lián)使用，由于單體電池存在差異，必須采取均衡措施保證電池的充放電一致，保證電池的安全使用[9]。

滿足以下條件時均衡啟動：

(1) 模塊中的任意單體電池電壓與整組中的單體電壓平均值相差超過50 mV；

(2) 電池組不處于放電狀態(tài)且所有電壓大于1.8 V時。

滿足以下條件時均衡關閉：

(1) 均衡啟動后，當模塊中的任意單體電池電壓與整組中的單體電壓平均值相差小于30 mV時，均衡關閉；

(2) 電池組進入其他工作狀態(tài)。

3 試驗驗證

根據(jù)制定的緊急牽引動力系統(tǒng)總體方案，采用車載充電機、蓄電池、DC/DC逆變模塊、牽引變流器等搭建緊急牽引模擬試驗臺(圖6)，模擬進行緊急牽引線路運行。在蓄電池充滿電的狀態(tài)下，經(jīng)DC/DC逆變模塊給牽引逆變器供電，牽引變流器牽引異步電機負載，電動機轉速給定轉矩994 N·m，轉速達到200 r/min，在該工況下持續(xù)工作，蓄電池由98%初始電量至輸出報欠壓。

圖6 緊急牽引模擬試驗臺

試驗從37：15開始至51：42蓄電池組放電截止，系統(tǒng)共運行14 min，在10 km/h速度下行駛距離為 2.33 km，模擬運行1 250 m時電池剩余電量約57%。試驗表明：鋰電池選型合理，容量具有一定的冗余。試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 緊急牽引模擬試驗數(shù)據(jù)表

電池系統(tǒng)除充放電、均衡性等安全主動保護功能外，還需在蓄電池箱內(nèi)安裝煙火探頭，用來檢測煙霧和火災，最大限度地保證動車組的安全可靠運行，鈦酸鋰電池作為緊急電池已經(jīng)在CR400BF型復興號動車組上得到了應用[10]。

4 結論

本文以動車組緊急牽引模式下的鋰電池應用為研究對象，按照緊急牽引能耗計算出了鋰電池的容量，搭建了鋰電池系統(tǒng)的系統(tǒng)架構，設計了鋰電池管理系統(tǒng)，優(yōu)化配置了電池管理系統(tǒng)安全保護參數(shù)。同時，根據(jù)實際應用場景，搭建試驗臺進行了地面模擬試驗，驗證了鋰電池選型的合理性，可滿足動車組緊急牽引的動力需求，對該技術在動車組上的應用實施提供了技術支撐。