土耳其安卡拉地鐵項(xiàng)目車輛蓄電池設(shè)計(jì)

陳艷艷，黃志華

(南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001)

1 概述

土耳其安卡拉地鐵項(xiàng)目車輛(以下簡稱安卡拉地鐵車輛)為第三軌上部受流的不銹鋼車輛，采用80 km/h速度等級、兩動(dòng)一拖三節(jié)編組列車，最大載客量1035人，與國內(nèi)的A型不銹鋼車輛基本類似。蓄電池主要為緊急通風(fēng)、應(yīng)急照明、門控和門驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等提供DC110 V緊急備用電源。應(yīng)急電源在車輛故障時(shí)有著重大的影響，因此，蓄電池的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

本文從蓄電池類型、使用環(huán)境、重量、體積、容量計(jì)算等方面闡述安卡拉項(xiàng)目地鐵車輛蓄電池選型方法，并簡要介紹了蓄電池箱的設(shè)計(jì)。

2 蓄電池技術(shù)要求

2．1 運(yùn)行條件

使用環(huán)境:車輛將在隧道中運(yùn)行，部分在地面上。維護(hù)場地位于地面上或地下。

使用溫度:－25℃ ～40℃

最小存儲環(huán)境溫度:－35℃

蓄電池在安卡拉項(xiàng)目氣候條件和線路條件下，使用壽命不低于10年。由于安卡拉當(dāng)?shù)氐蜏剡_(dá)到－25℃，低溫影響電池性能比較大，會較大地增加電池容量。

2．2 車輛要求

在AW4狀態(tài)下車輛軸重不超16．5 t，由于車輛是不銹鋼車體，因此車體比鋁合金車體要重，考慮到軸重因素，根據(jù)設(shè)備布置要求，將3臺輔助逆變器和2組蓄電池全部布置在拖車上，設(shè)備布置較緊湊，且受限界影響，分配給蓄電池的空間較小。

車輛所有系統(tǒng)都要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，要求兩組蓄電池(含箱體)重量不得高于1300 kg，而通常設(shè)計(jì)的A型鋁合金車輛蓄電池(含箱體)重量達(dá)到2000 kg以上。

2．3 緊急負(fù)載

當(dāng)整列車無高壓電源輸入，蓄電池必須能給緊急照明、緊急通風(fēng)等規(guī)定的緊急負(fù)載供電60 min，整列車緊急負(fù)載功率計(jì)算為14．3 kW，而國內(nèi)同型城軌車輛緊急負(fù)載功率通常都在10 kW左右。

3 蓄電池選型設(shè)計(jì)

3．1 蓄電池類型確定

目前，用于鐵路機(jī)車和城軌車輛的蓄電池類型主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘堿性蓄電池，由于土耳其用戶對鋰電池較感興趣，因此，在對蓄電池進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，也對鋰電池性能及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)了解。

鉛酸蓄電池由于低溫放電性能較差，選型需求容量較大，從而導(dǎo)致體積和重量不能滿足車輛要求。因此，本文主要將鋰電池和鎳鎘堿性蓄電池進(jìn)行了簡要對比，如表1所示:

表1 鎳鎘堿性電池與鋰電池的性能對比

序號 項(xiàng)目 鎳鎘電池 鋰離子電池9 振動(dòng)沖擊/防火完全滿足城軌車輛項(xiàng)目對振動(dòng)沖擊/防火等各國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。 鋰電池目前都達(dá)不到相關(guān)要求，也提供不出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。10 在軌道車輛的應(yīng)用 主要用于軌道車輛的后備應(yīng)急電源。 鋰電池常用于能量收集和施放的應(yīng)用領(lǐng)域，主要是節(jié)約能源方面;在軌道交通的應(yīng)急電源方面才開始應(yīng)用。11 使用溫度正常工作適用溫度范圍寬:－30℃ ～+50℃，耐極端溫度范圍:－50℃ ～+70℃。正常工作適用溫度范圍窄:首先，充電溫度范圍:0℃ ～45℃，小于0℃以下不能充電，當(dāng)小于5℃時(shí)需用加熱片加溫，－25℃加熱到5℃需要約40 min。加熱系統(tǒng)會損耗能量;其次，放電溫度范圍:－25℃ ～55℃。12 壽命 設(shè)計(jì)壽命達(dá)到15年，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證可靠使用壽命超過10年。目前了解鋰電池設(shè)計(jì)壽命8年，使用最長才用到3年，實(shí)際使用壽命還沒有得到實(shí)際驗(yàn)證。

綜上所述，鋰電池適用溫度范圍窄，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，可靠性差，使用壽命尚未得到驗(yàn)證，不能夠滿足用戶10年要求;因此，從可靠性、低溫性能、使用壽命、重量、體積等方面，該項(xiàng)目電池類型確定使用鎳鎘堿性蓄電池。

3．2 蓄電池容量計(jì)算

不同廠家，不同型號，不同倍率的電池放電性能都不一樣。下面以地鐵車輛常用的中倍率堿性鎳鎘蓄電池的放電性能來計(jì)算蓄電池容量。

列車充電機(jī)輸出電壓110～137．5 V，蓄電池的單體浮充電壓按1．455 V計(jì)算，該系統(tǒng)使用蓄電池的只數(shù)定為80只，其浮充電電壓1．455×80=116．4 V，處于充電機(jī)輸出電壓范圍。

列車要求蓄電池提供的功率為14．3 kW。

蓄電池組的平均放電電流=功率/蓄電池組的平均放電電壓 14．3 kw/［80 × (1．05+1．2)/2］V≈158 A。

蓄電池供電60 min需要的凈容量C0=158×60/60=158 Ah。

考慮浮充充電效率、低溫－25℃下的放電效率及使用壽命10年的老化系數(shù)等影響因素，蓄電池實(shí)際容量為:

蓄電池容量C=C0÷Kt÷η×a=158÷0．65÷0．90÷0．9≈300 Ah。

C0——不考慮任何影響系數(shù)下的蓄電池凈容量，158 Ah;

Kt——蓄電池在 －25℃溫度下放電的容量修正系數(shù)，0.65;

η——蓄電池的充電效率，0．90;

a——蓄電池老化修正系數(shù)，0．9(蓄電池的設(shè)計(jì)壽命15年，使用10年后的容量系數(shù)大約為0．9)。

每列車采用兩組蓄電池并聯(lián)，每組電池的容量需150 Ah，選用電池規(guī)格為160 Ah中倍率鎳鎘電池能滿足緊急負(fù)載放電要求。

根據(jù)蓄電池技術(shù)要求，選用的電池不僅性能可靠、放電性能滿足整車緊急負(fù)載要求，且低溫放電性能佳，重量輕，體積小。但是，國內(nèi)外蓄電池廠家的160 Ah中倍率鎳鎘電池都不能滿足整車重量和空間要求。為了解決重量和空間問題，選用一種高倍率電池，塊狀結(jié)構(gòu)、空間最優(yōu)化，體積和重量比傳統(tǒng)H型S/PBE鎳鎘蓄電池分別少30%和40%，，低溫放電性能極佳，Kt達(dá)到 0．8。

蓄電池容量 C=C0÷Kt÷η×a=158÷0．8÷0．90÷0．9≈244 Ah，每組蓄電池容量需122 Ah，選用規(guī)格130 Ah的高倍率鎳鎘蓄電池可滿足緊急負(fù)載要求。

4 蓄電池箱設(shè)計(jì)

一列車共有兩組蓄電池，含160節(jié)130 Ah電池，安裝于車輛的T車車底下的兩個(gè)蓄電池箱內(nèi)，兩組蓄電池(含箱體)重量不高于1300 kg，蓄電池箱所占空間滿足車輛要求。

4．1 主要構(gòu)件描述

80節(jié)130 Ah蓄電池裝于一個(gè)蓄電池箱內(nèi)，蓄電池箱采用懸臂結(jié)構(gòu)，蓄電池斗可以全部拉出箱體，以便于對蓄電池進(jìn)行定期維護(hù)。箱體由兩部分構(gòu)成:

電池箱，包含裝于滾輪上的電池塊以及一個(gè)溫度傳感器。

熔斷器箱，包含一個(gè)熔斷器，一個(gè)溫度傳感器配備連接器和兩個(gè)電纜旋緊件。

蓄電池外形及結(jié)構(gòu)組成詳見圖1。

圖1 蓄電池箱結(jié)構(gòu)組成

4．2 電池排列

蓄電池130 Ah×80由2個(gè)相同電池組130×40裝箱而成，具體包括:

8個(gè)130 Ah～5+L電池塊;

8個(gè)130 Ah～5+R電池塊。

電池塊由帶有內(nèi)置注水系統(tǒng)的聚丙烯殼體做成。每個(gè)電池塊都包絡(luò)在一個(gè)金屬凸緣內(nèi)，不會出現(xiàn)移位。

4．3 溫度傳感器

每組蓄電池130 Ah×80配有一個(gè)與帶孔硬質(zhì)連接片相連的NTC傳感器10 kOhms組件。

4．4 注水回路

每組蓄電池130 Ah×80包含2個(gè)中央注水系統(tǒng)，使得加水維護(hù)變得便利。

每個(gè)內(nèi)置于電池塊的中央注水系統(tǒng)，可讓所有電池塊從一個(gè)中央水槽得到補(bǔ)水。水壓連接器可用于注水，而不帶閥控的接頭可以使水排出蓄電池。注水回路詳見圖2。

圖2 注水回路

4．5 熔斷器箱

熔斷器箱包含:

一個(gè)熔斷器;

一個(gè)溫度傳感器配備連接器;

兩個(gè)35 mm2導(dǎo)線接頭和裝在箱體上的兩個(gè)電纜旋緊件。

5 結(jié)語

蓄電池設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合考慮的過程，不僅需根據(jù)用戶要求、使用環(huán)境、電池性能等條件，車輛要求往往也是影響設(shè)計(jì)的重要因素。本文淺析了用于土耳其安卡拉不銹鋼車輛的蓄電池設(shè)計(jì)，因受用戶要求、車輛軸重、設(shè)備布置空間影響，對蓄電池設(shè)計(jì)增加了難度。通過從類型、溫度特性、重量、體積等方面分析，選用130 Ah高倍率鎳鎘蓄電池，并對箱體進(jìn)行緊湊設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)滿足了合同要求和車輛要求。

［1］IEC 60623－2001方形開口鎘鎳可充電單體蓄電池［S］．

［2］杜玉峰，王曉勇．新加坡電力蓄電池雙能源工程車牽引蓄電池的選型設(shè)計(jì)［J］．電力機(jī)車與城軌車輛，2011(3)．

［3］王慶召，劉東廣．深圳地鐵5號線車輛蓄電池的選型分析［J］．電力機(jī)車與城軌車輛，2011(2)．