基于鈦酸鋰電池的短編組有軌電車車載儲能方案仿真分析

蒲思培

中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，430063

0 引言

根據《城市軌道交通工程項目建設標準》(建標104—2008)，有軌電車屬于中運量交通系統，列車總長度不超過60 m，適用于單向運能在(1～2)萬人次/h之間的城市軌道交通系統。隨著《國務院辦公廳關于進一步加強城市軌道交通規劃建設管理的意見》(國辦發[2018]52號)的發布，在地鐵、輕軌審批門檻大幅提高的前提下，有軌電車將在我國廣大三四線城市作為主干線路及一二線城市作為輔助線路迎來重大發展機遇。目前有軌電車儲能方式一般以超級電容為主，其中又根據超級電容種類的不同分為雙電層超級電容與高能量超級電容兩大類。但因中小城市客流較少，所需有軌電車編組較短，而低地板有軌電車的超級電容、制動電阻、逆變器、輔助電源、空調、受電弓等幾乎所有設備均布置于車頂，從而導致車頂空間十分緊張，同時由于超級電容體積較大，因此短編組有軌電車車載儲能裝置容量普遍不高。以國內某主機廠3編組有軌電車為例，其整車長度為21.4 m，在采用雙電層超級電容儲能時，整車僅能帶電9 kW·h，采用高能量超級電容時，整車也僅僅可帶電19 kW·h，從而導致整車續航里程不足，沿線充電站設置數量較多[1-2]。

本文以鈦酸鋰電池為基礎，在盡量不調整車頂設備布置的前提下，通過采用鈦酸鋰電池替換超級電容，提高車載儲能裝置最大存儲電量，并結合保山有軌電車T1線實際線路條件進行了仿真計算，仿真結果表明鈦酸鋰電池可完全滿足列車牽引/制動需求，且可以大幅減少區間充電站設置數量。

1 鈦酸鋰電池適應性分析

鈦酸鋰(Li4Ti5O12)電池單體電壓為2.35 V，工作電壓為1.5～2.8 V。用于有軌電車的電池模組主要由單體電芯串并聯構成，形成容量更大、電壓更高的電池組。在電池組內部集成了電池管理系統(battery management system，BMS)、通信系統、故障告警系統、熱管理系統等相關部件，電池組結構見圖1。

圖1 電池組結構示意圖Fig.1 Battery pack structure diagram

1.1 使用壽命分析

有軌電車年走行里程約在(6～8)萬km之間，因完全使用車載儲能裝置行駛，列車儲能裝置充放電頻率較高，因此目前各地采購儲能式有軌電車普遍對其車載儲能裝置提出了8～10年的使用壽命需求。為檢驗電池組使用壽命，本次研究分別在25 ℃與45 ℃環境溫度下分別采用20 A及60 A電流對電池組進行了0～100%與50%～90%荷電狀態(state of charge，SOC)的連續充放電試驗，充放電時間均為20 min，試驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 25 ℃充放電試驗 Fig.2 25 ℃ charge and discharge test

圖3 45 ℃充放電試驗Fig.3 45 ℃ charge and discharge test

由圖2可知，在0～100% SOC條件下，25 ℃環境溫度下分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時，電池組經15 000次充放電循環，電池容量可保持在85%以上；在50%～90% SOC條件下，25 ℃環境溫度下分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時，電池組經22 000次充放電循環，電池組容量幾乎無衰減。

由圖3可知，在0～100% SOC條件下，45 ℃高溫環境下分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時，電池組經3000次充放電循環，電池壽命僅剩80%，達到6000次充放電循環時，電池容量僅剩余50%，衰減較快；而在50%～90% SOC條件下，45 ℃高溫環境分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時，電池組經12 000次充放電循環，電池組容量衰減不超過2%。

根據本次試驗數據并參考同類型鈦酸鋰電池試驗結果，在同等溫度條件下，若達到相同的電池容量衰減量，40%充放電循環壽命(charge and discharge cycle life，DOD)比100% DOD壽命長8倍以上。

由此可見鈦酸鋰電池壽命主要受溫度與DOD控制，若通過電池組內BMS進行合理的電池溫度及充放電深度控制并通過沿線合理布置充電站數量，控制電池放電深度，則電池組容量保持率可控制在很高的水平之上，容量的衰減幾乎不會影響有軌電車的正常使用[3-4]。

1.2 安全性分析

傳統鋰離子電池負極材料是碳基材料，由于碳負極材料具有與金屬鋰很接近的電位，故當電池過充電時碳電極表面易析出金屬鋰枝晶而引起短路、熱失控等；同時充放電時鋰離子在反復地嵌入和脫嵌過程中會使碳基材料結構受到破壞從而導致電池組容量的衰減[5]。而Li4Ti5O12是一種由金屬鋰和低電位過渡金屬鈦復合的氧化物，屬于AB2X4系列材料，可被描述成尖晶石固溶體。Li4Ti5O12最大的特點就是其“零應變性”。所謂“零應變性”是指其晶體在嵌入或脫出鋰離子時晶格常數和體積變化都很小，小于1%。在充放電循環中，這種“零應變性”能夠避免由于電極材料的來回伸縮而導致的結構破壞，從而提高電極的循環性能和使用壽命，減少循環帶來的比容量衰減，同時具有非常好的耐過充、過放特征[6]。

在針對鋰電池針刺、熱失控、過放等基本安全性評測基礎上，又進行了有軌電車常見的過充、短路情況試驗研究，試驗結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 過充電試驗Fig.4 Overcharge test

圖5 短路試驗Fig.5 External short circuit test

由圖4可知，當電池組發生過充電時，電池組在約70 min時開始出現溫升，同時電池組開始鼓脹；在約90 min時溫度回歸正常。不切斷電源一直充電時，最高溫度上升至200 ℃左右，整個過程中電池無燃燒和爆炸現象。

由圖5可知，當電池組出現短路情況時，在短路的瞬間，電池組電壓降至0.7 V左右，同時表面溫度迅速上升至115 ℃后逐漸減低，整個過程中電池無燃燒和爆炸現象。

由上述分析可知，在耐用性與安全性上，鈦酸鋰電池組可完全滿足有軌電車的使用需求。

2 鈦酸鋰電池裝車方案研究

目前用于保山有軌電車的鈦酸鋰電池儲能裝置由3個電池箱并聯組成，單個電池箱又由電池模組串聯后組成。其中1個電池模組由2個電芯并聯后，再由36個電芯串聯構成，即2P36S方式；再由9個這樣的電池模組串聯，即2P324S方式形成1個電池箱。單個電池箱容量可以達到19 kW·h，按最大持續放電電流計算，可以達到最大350 A的持續放電需求[7]。

根據列車牽引功率需求，列車需要至少900 A的最大持續放電電流，因此為滿足列車牽引需要，該3編組有軌電車儲能裝置需要由3箱鈦酸鋰電池箱并聯而成，并聯后最大放電電流為1050 A、儲能裝置總容量為57 kW·h，列車主電路拓撲圖見圖6。

經串并聯成組后，單個電池箱外形尺寸長×寬×高為1960 mm×1000 mm×650 mm，3個電池箱總帶電量為56 kW·h。考慮各部件安全間隙后，該列車車頂布置見圖7[7]。由圖7可以看出，在合理排布車頂空間并采用小型被動升降受電弓的前提下，車頂可以滿足3套電池箱、制動電阻、空調、逆變器及輔助電源箱等設備的布置要求。

3 鈦酸鋰電池供電方案仿真

3.1 T1線線路條件

保山有軌電車T1線工程右線全長21.042 km，其中高架線長4.31 km，地下線長0.55 km，其余均為地面線。全線共設站23座，其中上營站、聶家屯站、小屯站、保岫路站、龍泉路站、沙丙路站為高架站，其余均為地面站，最大站間距 2 km，最小站間距0.34 km。

3.2 列車基本參數

列車供電電壓為DC750 V；輪徑為620 mm /580 mm /540 mm(新/半磨耗/全磨耗)；動車軸式為Bo-Bo(電力機車的軸列式，每個轉向架2根動力車軸)；列車編組為Mc+F+Mc(2動1拖，即2M1T)；列車自身質量為33.5 t；列車總質量分別為空車(AW0)M0=33.5 t/列，定員(AW2)M2=44.5 t/列，超員(AW3)M3=47.5 t/列；慣性系數為8.4%[1]。

圖6 列車主電路拓撲圖Fig.6 Tram main circuit topology

圖7 列車車頂設備平面布置圖Fig.7 Tram roof equipment floor plan

3.3 仿真參數計算

(1) 列車換算質量為

Mg=M0×8.4%=33.5×8.4%=2.814 t

AW0換算質量為

M0g=M0+Mg=36.314 t

AW2換算質量為

M2g=M2+Mg=47.314 t

AW3換算質量為

M3g=M3+Mg=50.314 t

(2) 啟動阻力計算。啟動阻力按49 kN/t計算，其中，AW0啟動阻力

Wq0=M0×49×10-3=1.642 kN

AW2啟動阻力

Wq2= 44.5×49×10-3=2.181 kN

AW3啟動阻力

Wq3= 47.5×49×10-3=2.328 kN

(3) 坡道阻力計算。最大坡度按6%計算，其中，AW0坡道阻力

Wm0=33.5×6%×9.81=19.718 kN

AW2坡道阻力

Wm2=44.5×6%×9.81=26.193 kN

AW3坡道阻力

Wm3=47.5×6%×9.81=27.959 kN

(4) 基本阻力計算。基本阻力為

Fr=20m+0.75mv+0.4v2

式中，Fr為列車基本阻力，N；m為列車換算質量，t；v為列車速度，km/h。

據此計算的各速度條件下列車基本阻力如表1所示。

3.4 仿真結果

根據上述基本條件及鈦酸鋰電池配置情況，在Cinius列車平臺仿真軟件中建立列車仿真模型，得到列車牽引/電制動仿真曲線如圖8所示[8]。

3.4.1牽引性能

由圖8可知，在網壓為DC750 V，AW2負載條件下，列車以72 kN的恒牽引力啟動加速(響應時間為0.8 s)，黏著系數取0.23，此種工況下，列車在0～40 km/h和0～70 km/h速度范圍內其平均加速度如表2所示。仿真結果表明鈦酸鋰電池供電方案可以滿足列車牽引動力性能要求。

表1 列車各速度基本阻力表Tab.1 Basic speed resistance table

圖8 列車牽引/電制動仿真曲線Fig.8 Tram traction/electric brake simulation curve

表2 列車啟動加速度計算表

3.4.2制動性能

由圖8可知，制動時,網壓為DC900 V、黏著系數取0.23，在AW2負載條件下的平均減速度如表3所示。仿真結果表明鈦酸鋰電池方案滿足

表3 列車制動減速度計算表Tab.3 Tram brake deceleration calculation table

列車制動性能要求。

3.4.3故障運行能力檢算

(1)喪失1/2動力檢算。在車輛超員荷載工況下，當列車喪失不大于原動力1/2動力時，應具有在正線最大坡道上啟動和運行到最近車站的能力。此時加速度計算公式為

a=((Fq/2)-Wq3-Wm3×60%)/M3g= (72/2-2.328-27.959)/50.314= 0.1135 m/s2>0.0833 m/s2

式中，Fq為牽引力，kN；Wq3為AW3啟動阻力，kN；Wm3為AW3坡道阻力，kN；M3g為AW3換算質量，t；0.0833 m/s2為列車啟動最小加速度。

檢算結果表明,在損失1/2動力的情況下，車輛在超員荷載情況下，鈦酸鋰電池供電方案可以滿足列車在正線最大坡道上啟動并運行至最近車站的能力。

(2)空車返回車輛段檢算。在車輛空車和喪失不大于原動力1/2動力時，應能從故障點啟動運行到車輛段。此時加速度計算公式為

a=((Fq/2)-Wq0)/M0g= (72/2-1.642)/36.314= 0.946 m/s2>0.0833 m/s2

式中，Wq0為AW0啟動阻力，kN；M0g為AW0換算質量，t。

檢算結果表明，在損失1/2動力且空車情況下，鈦酸鋰電池供電方案可以滿足列車從發生故障點維持運行到車輛段的能力。

(3)車輛救援檢算?？蛰d車輛應具有在正線線路的最大坡度上牽引另一列定員載荷的故障車輛運行到車輛段的能力。此時加速度計算公式為

式中，Wq2為AW2啟動阻力，kN；Wm0為AW0坡道阻力，kN；Wm2為AW2坡道阻力，kN；M2g為AW2換算質量，t。

計算結果表明，鈦酸鋰電池供電方案可以滿足空載車輛在正線最大坡道上將另一列定員荷載的無動力車輛牽引到車輛段的能力。

3.4.4充電裝置設置情況

本文研究的列車共配置3個鈦酸鋰電池箱，總計可用電量為57 kW·h，根據保山T1線實際線路圖及停站時刻表進行列車運行仿真計算。當車輛處于AW2負載、輔助功率全開并考慮非信號控制路口均停車等待40 s情況下，以北津街站至第一個設充電樁的車站永昌路站為例，列車自起點站北津街站開出，帶電量為57 kW·h；在畫橋站、百屯站、青蓮站、好善營站均停站不充電，當列車行駛至永昌路站時，剩余電量為40.24 kW·h，在永昌路站停站30 s，補充電量6.4 kW·h，出站后帶電量為46.64 kW·h，具體如圖9所示。

圖9 鈦酸鋰電池方案列車運行仿真曲線Fig.9 Tram running simulation curve of lithium titanate battery scheme

由該仿真計算可知，鈦酸鋰電池方案僅需在正線北津街站、永昌路站、保岫路站、武家屯站、小村站、辛街東站設置6座充電站即可完成正線運行，列車運行至終點站辛街東站時，列車剩余可用電量4.4 kW·h，滿足正常運行需求[2]。

在終點站設置單臺最大充電電流1500 A、充電功率1.35 MW的充電樁前提下，列車僅需4 min即可完成充電；若車站上下行方向均配置充電樁，則可完全滿足本線遠期18對(每小時開行列車對數)的發車間隔需求。由仿真可知，鈦酸鋰電池方案在全線僅設置6座充電站的前提下，即可滿足正常運營的需求，與同車型高能量超級電容方案需設置12座充電站相比，減少了6座充電站，按1座充電站配置1座牽引變電所，每座牽引變電所投資450萬元計算，僅牽引變電所1項即可節省工程投資2700萬元。

4 結論

針對鈦酸鋰電池裝車的試驗研究及仿真驗證可以得到如下結論：

(1)鈦酸鋰電池在使用壽命及安全性上可以滿足有軌電車的使用需求，但因本次研究試驗的充放電次數有限，與雙電層超級電容及高能量超級電容類似，尚需在實際使用中觀測其使用壽命。

(2)通過在保山T1線實際線路條件下進行運行仿真可知，鈦酸鋰電池的牽引/制動特性可完全滿足有軌電車的日常使用及故障運行需求，且可以滿足有軌電車車頂空間布置要求。

(3)在同車型的前提下，鈦酸鋰電池方案可配置57 kW·h儲電量，相對于高能量超級電容方案僅19 kW·h的儲電量大大提升了有軌電車運營靈活性，減少了區間充電站數量及建設和日后運營維護成本。