鋰離子電池在動車組輔助電源系統的應用

邢學彬 王效宇

摘要：近年來鋰離子電池的發展非常之快，在動車組輔助電源系統的應用也非常的廣泛，本文針對鋰離子電池在動車組輔助電源系統的應用做分析，來為本行業的人員提供參考。

關鍵詞：鋰離子電池；動車組輔助電源系統；應用

引言：中國高鐵的建設和發展，為我國國民經濟發展提供安全可靠、高速度、大容量運力保障，進一步緩解鐵路運力緊張、提高運輸服務品牌和運輸服務質量的重要舉措。高鐵在走出去的過程中， 必需加快鐵路核心技術的全面自主化工作，要形成完整的標準體系，推進中國標準動車組的研制，以及高鐵運營的完整體系。高速列車的輕量化水平不僅直接決定了高鐵運行的安全性、平穩性、舒適性、能耗和對環境產生的噪聲影響，是高鐵提速的關鍵影響要素。其中輔助電池系統的高性能、輕量化和長壽命也是設計中的一個重要部分。

1、動車組輔助系統蓄電池的發展現狀

1.1 動車組輔助蓄電池組的要求

動車組輔助蓄電池組的主要功能是車輛在接觸網電壓缺失或者變流器故障等情況下，作為應急備用電源向車內負載（如照明、升降弓等）供電，要求電池具有以下特性：重量輕，適應動車組輕量化設計理念，實現車輛運行的高安全性和低能耗；功率特性好，可滿足動車組大電流放電的需要；溫度適應性寬廣，能夠在-40℃--60℃的環境溫度下穩定工作；長壽命，電池的壽命長，降低電池更換工作量和運營成本；安全性好，電池的安全性高，能有效的保障車輛運行的安全；能夠適應動車組行駛時振動的要求，自放電低，無污染環境，無記憶效應，回收利用性好等。

1.2 動車組輔助蓄電池組的發展

現有的蓄電池主要包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。目前動車組用輔助蓄電池主要有兩大類：一類是鉛酸電池，一類為堿性鎳鎘電池。長期以來，鉛酸電池以其工藝成熟、性能穩定、售價低廉等優點得到了廣泛的使用；但由于其重量和體積大、充電時間長以及壽命短，使得鉛酸電池不能滿足現代動車組高效運營的要求。與鉛酸電池相比，鎳鎘電池大電流放電特性好、耐過充放能力強、維護簡單，在動車組上得到了廣泛的應用，但由于具有記憶效應、能量密度較低、含重金屬存在環境污染等限制了鎳鎘電池的持續發展。

鋰離子電池是20世紀90年代發展起來的，具有量密度高、壽命長、充放電效率高和無環境污染等優點，最初的鋰離子電池原料以鈷酸鋰為主，后來陸續推出了錳酸鋰、三元和磷酸鐵鋰等體系的電池，電池的安全性和循環壽命有了長足的進步，錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池的循環壽命分別達到600次和2000次，并在電動汽車等場合得到了推廣應用。但由于上述電池均采用碳作為負極，低溫環境下，鋰的嵌入和脫出負極能力下降，因此電池的最低充電溫度都接近0℃，這不能滿足動車組使用的需要。近年來推出了以鈦酸鋰為負極的鈦酸鋰電池。該電池在電池能量密度略有下降，但電池的溫度適應性、電池壽命、安全性等都有大幅的提升。綜合考慮動車組對蓄電池的低溫性能、使用壽命、安全性、能量密度等方面的要求，鈦酸鋰電池是目前最適宜在動車組上使用的電池。

2、鈦酸鋰電池的性能

目前在世界上主要的鋰離子電池生產國家有日本、韓國、美國和中國，國內已經制定了嚴格的鋰離子電池的安全檢測規范，并且已有很多種規格的鋰離子電池通過了檢測，可以保證正常使用狀態下的安全。

2.1 鈦酸鋰電池的性能

鈦酸鋰電池是近幾年來剛剛發展起來的一種新型鋰離子電池，其突出特點是安全性好、倍率特性好和壽命長。測試顯示，鈦酸鋰電池不論是常溫還是高溫下，即使是大倍率循環，均表現出了良好的容量穩定安全測試。鈦酸鋰電池由于負極對鋰的電位高達1.55V，在過充時不會像常用的石墨負極那樣出現鋰枝晶，因而賦予了它可以大電流充電的特質，并且過充安全性要遠遠優于石墨負極。通過以上分析和測試可見，鈦酸鋰電池的安全性相對最好，并且在使用鈦酸鋰電池后，蓄電池組在重量及性能等方面均有顯著優勢，因此將鈦酸鋰離子電池應用到動車組上的方案是可行的。

3、鈦酸鋰離子電池成組技術

為了達到一定的電壓、功率和能量等級，動車組用的輔助電池需要串聯成組使用。由于生產和使用過程中的不一致，電池之間的差異性客觀存在。為保證鋰離子電池組在使用的過程中不出現過充點、過放電，在過高或過低的環境溫度中使用降低其使用壽命，鋰離子電池組需電池管理系統和充電器配合，來保障鋰離子電池組的安全使用，并延長其使用壽命。

3.1 電池管理系統

在電池使用過程中，電池管理系統能實時的檢測每個電池電壓、溫度、電池組工作電流；并對電池組的荷電狀態和最大允許充電電流進行估算；依據檢測到的電池信息，對電池的故障狀態進行診斷和定位；必要的時候可啟動風機，實施熱管理；通過總線與充電機之間的數據交換，將單體電池電壓、溫度和電池組故障狀態及時反映到充電機，實現充電過程的多變量閉環控制，保障充電過程安全；極限情況下可切除電池，防止出現安全隱患。

4、動車組輔助系統蓄電池應用方案

4.1 動車組輔助系統蓄電池的基本工作模式

輔助系統蓄電池采用鋰離子電池組，由于鋰離子電池自身特點，在設計全新輔助系統的時候需考慮幾點問題。1、建立充電機與BMS之間的通信，從而使充電機能夠根據BMS指令對電池組進行充放電控制，達到延長電池壽命，提高電池系統利用率的目的。2、引入整車上下電信號控制到電池系統，保證整車上下電時，保護開關的正確邏輯及下電后BMS斷電，減少BMS對電池系統的能量消耗，防止長時間停車時電池過放。3、在應急供電情況下，切斷分級負載的電壓閥值需要根據鋰電池配置進行更改。

4.2現有車輛蓄電池應急電源系統改造方案

在現有車輛蓄電池應急電源系統中，由于充電機與電池系統沒有通訊接口，因此可僅更改充電機內部控制參數，使其適應對鋰離子電池進行充電；電池組的過充、過放保護由電池組內部完成。此模式下，電池系統的充電電流僅由充電機控制，控制靈活性稍差。整車上下電控制信號與蓄電池電壓閥值仍需要改造。

4.3電池系統的安全性設計

故障導向安全設計

通過對整個電池組的工作狀態及潛在故障統計分析，電池系統設計中充分考慮系統的其潛在失效模式，保證系統的安全、可靠運行。對單體電池的電壓檢測，避免單體電池過充、過放。對電池系統溫度檢測，保證電池系統不工作在過溫或低溫狀態。對電池系統電流檢測，保證電池系統不工作在過流狀態。均衡管理，保證電池組各節電池的一致性。

電池單體及電池組故障處理

故障處理采用分級處理的模式，對不同的故障情況進行分級分析，并通過通訊上報故障信息。根據電池的特性及電池組工作情況對各故障進行分類，根據故障的嚴重等級進行分類，分為一、二和三級故障，處理故障方式分別為告警、降功率運行和切斷功率回路。電池系統中配備加熱設備，在環境溫度過低時開啟加熱保證其工作在理想工作溫度范圍內。

4.4 電池系統的可維護性設計

電池管理系統在電池系統使用過程中會實時檢測電池系統的各項參數指標，監測鋰電池系統狀態。電池管理系統具有電池均衡功能，通過對各電池的狀態監測，根據均衡控制策略，對電池容量偏差較大的電池進行均衡管理，保證電池組中的各電池的容量一致性在一定的范圍內，電池系統可實現免維護。

結束語

總而言之，合理的在動車組中應用鋰離子電池，不僅可以有效的緩解能源不足的問題，減少對環境的污染，實現整車輕量化設計，應該大量開發鋰離子電池在軌道交通行業的廣泛應用。

參考文獻

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