鋰離子電池中低速磁浮車輛上的應(yīng)用

程　維,曹　芬（南車株洲電力機(jī)車有限公司　磁浮系統(tǒng)研究所,湖南　株洲　412001）

鋰離子電池中低速磁浮車輛上的應(yīng)用

程維,曹芬
（南車株洲電力機(jī)車有限公司磁浮系統(tǒng)研究所,湖南株洲412001）

文章主要介紹中低速磁浮車輛懸浮蓄電池的類型選型，并對(duì)懸浮蓄電池的電壓、節(jié)數(shù)、容量的確定進(jìn)行了分析。

中低速磁浮車輛；懸浮；蓄電池

1　概述

地鐵車輛蓄電池在地鐵車輛運(yùn)行過(guò)程中起著很重要的作用,它不僅為列車各子系統(tǒng)提供DCllOV的控制電源,同時(shí)在緊急情況下可作為列車實(shí)施緊急通風(fēng)和緊急照明的電源。軌道車輛蓄電池一般選用鉛酸蓄電池或鎳鎘蓄電池。相較地鐵車輛中低速磁浮車輛除控制蓄電池外，懸浮供電系統(tǒng)還配有一套懸浮蓄電池，作用是短時(shí)間補(bǔ)償330V電源的能量及調(diào)節(jié)和穩(wěn)定330V母線電壓，且當(dāng)車輛懸浮電源失效時(shí)作為懸浮系統(tǒng)的后備電源使用。這些特點(diǎn)決定了懸浮蓄電池應(yīng)選用高倍率的動(dòng)力型蓄電池。

2　懸浮供電系統(tǒng)及懸浮蓄電池的選型

2.1懸浮供電系統(tǒng)

中低速磁浮車輛每節(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)貫通全車提供330V電能給懸浮控制器。懸浮電源兼作330V蓄電池充電器。

2.2懸浮系統(tǒng)對(duì)懸浮蓄電池的要求

懸浮系統(tǒng)對(duì)懸浮蓄電池的要求包括充、放電性能要求及蓄電池使用壽命、可維護(hù)性、安裝體積、重量等要求。其中，充電時(shí)間不大于2h，放電時(shí)間在10min左右，而放電電流的大小需根據(jù)車輛懸浮輸出功率進(jìn)行計(jì)算得出。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)車輛在懸浮蓄電池供電時(shí)，車輛懸浮系統(tǒng)持續(xù)輸出功率P最大約在100kW左右，蓄電池的輸出電流大約在100～130A左右。蓄電池組電壓U=300V左右為最佳。

懸浮蓄電池的應(yīng)用特點(diǎn)決定懸浮蓄電池應(yīng)具有放電電流大，開(kāi)路電壓高，體積小、重量輕等特點(diǎn)。

2.3懸浮蓄電池類型的確定

在懸浮蓄電池的選型上,現(xiàn)階段動(dòng)力型電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等幾種類型。但由于鉛酸蓄電池大電流放電性能差、鎳氫、鎳鎘電池其電壓偏低、比能量低、體積偏大都不是很適合作為磁浮車輛懸浮蓄電池。而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、快速充放電、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)。能夠滿足在中低速磁浮車輛放電電流大，開(kāi)路電壓高，體積小、重量輕等要求。

從表1中可以看出，同樣一組的280V/40Ah電池組，鋰電池與鎳鎘、鉛酸電池相比，重量將減輕50-70%。體積減少30-50%。串聯(lián)節(jié)數(shù)少了約2/3，使可靠性極大提高。使用壽命增加2倍，充放電性能、高低溫性能、維護(hù)性能及自放電性能同樣會(huì)大大提高。綜合考慮在車輛上使用的安全性、比能量、使用壽命、使用溫度等因素后。發(fā)現(xiàn)LiFePO具有較高的比能量以及良好的安全性，并且是最適合在車輛上使用的鋰離子電池正極材料。因此，對(duì)于磁浮車輛而言，鐵鋰蓄電池作為懸浮后備電源是更好的選擇。

2.4330V蓄電池電壓及節(jié)數(shù)

確定了蓄電池類型后，相應(yīng)蓄電池的單體電壓也確定了，磷酸鐵鋰蓄電池的單體電壓參數(shù)如下：

標(biāo)稱電壓：3.2V；

表1　280V/40Ah磷酸鐵鋰電池與鎳鎘、鉛酸電池性能比較

放電截止電壓：2.3V；

充電截止電壓：3.65V。

還需要確定蓄電池組的電壓(即蓄電池單體數(shù)量)。蓄電池組電壓的選取可按以下要求進(jìn)行分析：

（1）與充電電源輸出電壓相匹配：懸浮電源對(duì)蓄電池組采用恒壓限流方式進(jìn)行浮充電。因此，懸浮蓄電池組的總電壓應(yīng)稍小于懸浮電源的設(shè)定電壓338V，設(shè)定蓄電池單體的均衡電壓點(diǎn)為3.50V，則蓄電池組所含單體電池個(gè)數(shù)338/3.50=96.57節(jié)，取96節(jié)。

（2）充電性能要求：330V蓄電池采用圖1的充電曲線。

圖1中，0～t0階段為恒流充電階段，充電電流Id一般設(shè)置為(0.5-0.8)C，將蓄電池單體電壓充至3.45V之后，充電機(jī)設(shè)置為恒壓充電，充電電流逐漸降低。中低速磁浮車輛為保證充電時(shí)間短，恒流充電電流Id設(shè)置在0.8C。

綜合上述要求，可選取單體蓄電池個(gè)數(shù)為96節(jié)，即蓄電池組標(biāo)稱電壓為U=3.2×96=307V。

3.5330V蓄電池容量

確定蓄電池組的電壓U后，根據(jù)車輛發(fā)揮出的懸浮功率P及車輛故障運(yùn)營(yíng)要求，即可求得懸浮蓄電池的容量C。

根據(jù)磁浮車輛試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，懸浮功率可按每噸消耗1.1kW計(jì)算。

表2　懸浮功率與車輛重量關(guān)系

則載荷總重量為99t的列車持續(xù)懸浮功率P=108.9kW。根據(jù)這個(gè)懸浮功率結(jié)合線路對(duì)車輛懸浮能力的要求可計(jì)算出懸浮蓄電池的容量。假定某線路對(duì)車輛懸浮能力的要求為當(dāng)一臺(tái)DC330V懸浮電源故障時(shí)，330V蓄電池緊急供電能夠維持36min（0.3h）。則蓄電池放電電流為I=128.1A。列車需要消耗的蓄電池的容量為C1=76.66Ah。考慮蓄電池充電效率系數(shù)0.95，蓄電池溫度系數(shù)0.9，蓄電池老化系數(shù)0.8，緊急負(fù)載下大電流放電倍率系數(shù)0.85。蓄電池的容量C=C1/0.95/0.9/0.8/0.85=131Ah

事實(shí)上，隨著放電時(shí)間的增加，蓄電池容量減小，蓄電池組的電壓也在降低。計(jì)算過(guò)程中也未考慮車輛起浮和過(guò)彎道消耗的能量。這樣，上面的計(jì)算結(jié)果就成為不精確的計(jì)算結(jié)果。因此，在計(jì)算時(shí)可選擇1．05倍設(shè)計(jì)裕量，即C=137.55Ah?？稍诿抗?jié)車配置一組46Ah，三節(jié)車總?cè)萘?38Ah的蓄電池組。

4　小結(jié)

磁浮車輛在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的應(yīng)用業(yè)績(jī)，懸浮蓄電池的設(shè)計(jì)選型也需在實(shí)際運(yùn)行中得到檢驗(yàn),同時(shí)也將在實(shí)際運(yùn)行中尋求更合理,更安全的控制方法。