HXN6型混合動力調車機車動力電池成組結構優化設計

孟玉發，高曉芳，葉頂康

（中車資陽機車有限公司 研發部，四川資陽641301）

HXN6型混合動力調車機車，是中車資陽機車有限公司（簡稱中車資陽公司）于2013年與中國鐵路總公司簽訂科技研究開發計劃課題合同《2000-2500 kW混合動力機車研制及雙燃料機車技術方案研究》，進行研制的2200 kW混合動力交流傳動調車機車，采用外走廊、底架承載式車體，C0-C0軸式，柴油機裝車功率1250 kW，動力電池裝車容量1500 kW?h，機車最大運行速度為100 km/h的交流傳動重度混合動力調車機車。

HXN6型0001號機車型式試驗、運用考核和解體檢查數據表明，各項技術指標滿足機車技術條件要求。但是隨著對混合動力機車安全性的深入研究，發現HXN6型機車動力電池成組結構存在電池能量過于集中，無能量分割和物理分割，安全防護不太完善等，必須對該車電池成組結構進行優化設計。

1 動力電池成組結構優化設計原則

1.1 電池系統能量分割安全性優化設計原則

（1）對動力電池回路應進行能量分割，宜采用多支路動力電池獨立回路。

（2）動力電池系統主電路設計，要著重考慮電池系統安全性，外電路短路保護應針對各級母線分級設置。

（3）每一個支路應設置過流接觸器、熔斷器類保護器件，保護器件嚴格按照回路短路電流和反時限動力特性進行匹配。

1.2 動力電池系統物理分割安全性優化設計原則

（1）動力電池系統應按能量進行分組隔離，宜采用多組相互物理隔離（鋼結構阻斷），形成相互獨立的電池倉。

（2）動力電池倉在結構上應具有防火、阻熱設計，填充和密封采用阻燃隔熱材料。

（3）動力電池倉在結構上應采取整個隔間的密封，防止水、沙、油污侵入導致絕緣性能下降。

（4）動力電池倉應設置防爆、泄壓等結構，滿足電池安全泄爆要求，泄爆方向應遠離人工操作區和危險源，保證人員安全，防止次生災害。

2 動力電池成組結構優化設計方案

2.1 動力電池系統能量分割設計方案

HXN6型混合動力調車機車原動力電池系統主電路采用一個回路，裝車電量為1500 kW?h。一是動力電池能量過于集中，動力電池系統主電路工作電流大，需要2個接觸器主觸頭并聯使用，同時需要2個熔斷器并聯進行保護，如果動力電池系統輸出電路發生短路故障時，則流過動力電池回路的短路電池太大，主回路接觸器進行斷開保護時，由于主觸頭動作不會同步，這樣就會造成主回路接觸器主觸頭燒損，同時由于并聯的熔斷器參數有差異，因此該熔斷器在進行保護時有可能造成先動作的熔斷器炸裂；二是如果有某1個動力電池包有故障，則會切斷整個動力電池系統，導致機車動力電池不能提供動能，優化前HXN6型混合動力調車機車動力電池系統主回路拓撲結構如圖1所示。

圖1 優化前動力電池系統主回路拓撲結構

因此，必須對HXN6型混合動力調車機車原動力電池系統進行能量分割，使該車動力電池系統不會因為某一動力電池包內某一電池單體出現故障而切除整個動力電池系統，不僅使機車功率損失一半，而且把機車變成純柴油發電機組提供動力，失去了節能環保的性能。

由于HXN6型混合動力調車機車牽引電機是軸控的，牽引變流器中有6個逆變模塊，每個逆變模塊中有1個斬波橋臂，是用來與制動電阻或高壓斬波電阻相連，用其控制電阻制動功率或中間直流回路高壓保護。而HXN6型混合動力調車機車有1200 kW的制動電阻裝置，需要2個逆變模塊中的斬波橋臂，因此只剩下4個逆變模塊中的斬波橋臂，所以對動力電池系統進行能量分割成4組或8組，即4支路或8支路通過4個逆變模塊中的斬波橋臂與牽引變流器的中間直流環節并聯是最佳的。

如果分成8組即8支路，則必須每2組并聯后再與1個斬波橋臂相連，這樣在動力電池投入的過程中控制非常復雜，而且在實現物理分割時結構復雜，整個電池系統體積大，在目前機車質量、體積限制下無法實現工程化。

如果分成4組即4支路，則每組與1個斬波橋臂相連，每組可以實現獨立控制充、放電，在4組分別投入到牽引變流器中間直流環節的控制時，無論4組電池的電壓是否相同，均可實現4組同時投入而不會產生環流，機車控制相對簡單。

因此，HXN6型混合動力調車機車把動力電池系統能量分割成4組，即4條支路分別與牽引變流器中間直流環節相連，動力電池系統主回路拓撲結構優化后如圖2所示。

圖2 優化后動力電池系統主回路拓撲結構

HXN6型混合動力調車機車動力電池系統能量分割前后對比見表1。

表1 HXN6型混合動力調車機車動力電池系統能量分割前后對比

2.2 動力電池系統主回路設備選型的優化

由于磷酸鐵鋰動力電池內阻特別小，當動力電池系統外電路短路時，流經動力電池的短路沖擊電流在20C～30C范圍內變化，如果不能及時切斷，則持續短路電流讓動力電池包內電芯溫度急劇升高，引起動力電池熱失控。

磷酸鐵鋰動力電池單體電芯短路試驗數據表明：方案選用的動力電池單體電芯承受的短路電流值在20C時，且持續工作40 s后電芯才自動斷開失效而不失控；動力電池單體電芯承受的短路電流值在30C時，且持續工作21 s后電芯才自動斷開失效而不失控，如圖3所示。

圖3 磷酸鐵鋰單體電芯30C短路電流與時間和溫度關系試驗曲線

因此，HXN6型混合動力調車機車動力電池系統主回路設備選取原則：熔斷器在20C電流的沖擊下熔斷時間要遠小于動力電池電芯失效時間；接觸器的極限分斷電流要大于最大短路電流。按照此選取原則，根據HXN6型混合動力調車機車動力電池系統優化前、后主回路工作電流選取的設備見表2、表3。

表2 HXN6型機車動力電池系統主回路優化前后熔斷器選型參數對照表

表3 HXN6型機車動力電池系統主回路優化前后接觸器選型參數對照表

2.3 動力電池系統物理分割設計方案

HXN6型混合動力調車機車動力電池系統沒有進行物理分割前，動力電池室由一個大的動力電池模塊組成，如圖4（a）所示，從能量上只有1個支路，由22個動力電池包串聯組成，每個動力電池包的參數為：1070 Ah、64 V、68.48 kW?h，總容量為1500 kW?h，從結構上所有動力電池包安裝在電池室內組成一個整體，沒有設置隔熱、阻燃、防火和防爆結構，動力電池包安裝在動力電池室內，司機室前端墻和電氣室隔墻共同作為動力電池室的隔墻，因此，動力電池室既不能阻止內部動力電池熱失控后的熱量向司機室和電氣室傳遞，也不能阻斷外部熱源向動力電池室內部擴散。

HXN6型混合動力調車機車動力電池系統按照物理分割原則進行物理分割后，動力電池室由2個動力電池模塊組成，如圖4（b）所示。動力電池模塊內中間隔墻設計為隔熱、阻燃、防火結構，將動力電池模塊分割為完全獨立2個空間（又稱動力電池倉），每個電池倉由5個動力電池包串聯組成該電池支路系統，每個動力電池包的參數為：216 Ah、272 V、58.752 kW?h，該 支 路 系 統 總 容 量 為293.76 kW?h。同時將該模塊的前后端墻及底部也設計為隔熱、阻燃、防火的結構，實現電池倉與電池倉間、模塊與外部之間的物理隔離；每個動力電池模塊由2個相互獨立動力電池倉構成，因此每個電池模塊動力電池總容量為293.76 kW?h×2，則整個動力電池系統總容量為293.76 kW?h×4即1175 kW?h。

為了提高制造、安裝以及更換的效率，動力電池室采用了模塊化設計思路，2個完全相同的動力電池模塊，均通過6個活動錐形座安裝在車架上，可單獨起吊和安裝。HXN6型混合動力調車機車動力電池系統物理分割前后對照如圖4所示。

圖4 HXN6型混合動力調車機車動力電池系統物理分割前后對照圖

2.4 動力電池模塊增加隔熱、阻燃、防火和防爆結構設計

HXN6型混合動力調車機車優化后的動力電池模塊的前后端墻和底部增加隔熱、阻燃、防火設計，內部2個電池倉之間的隔墻也設計為隔熱、阻燃、防火結構，將模塊內2個動力電池倉完全物理隔離，左右側墻上的檢修門和頂部空調內循環通風系統表面均涂防火涂料，動力電池模塊隔熱、阻燃和防火結構如圖5所示。

圖5 動力電池模塊優化后隔熱、阻燃和防火構圖

防火墻結構：由兩層鋼板，中間填充絕熱材料構成，如圖6所示。

圖6 防火墻結構

防火墻絕熱材料擬采用陶瓷纖維，具有低導熱率、良好的隔熱性能。陶瓷纖維主要參數見表4。

表4 陶瓷纖維主要參數

防火計算：在模塊中防火墻采用3 mm鋼板+24 mm絕熱防火材料+3 mm鋼板的結構形式，假設動力電池系統內部熱失衡后，如磷酸鐵鋰電池熱失控后溫度在800℃。如熱源A點為熱失控后的電池，距防火墻48 mm，如圖7所示。

圖7 防火墻防火計算示意圖

通過熱傳導計算，在環境溫度為40℃時，該熱源經過空氣及和防火墻的熱傳導30 min后，在B點處的穩態溫度為101℃，升溫61℃。B點處的溫度低于電芯熱失控溫度初始150℃，即1個電池倉內A電池包發生熱失控后，半個小時之內，不會導致另1個電池倉內B點電池包熱失控。

2.5 動力電池系統增加防爆、泄壓裝置設計

HXN6型混合動力調車機車動力電池系統優化前沒有設計防爆、泄壓裝置，因此如果動力電池電芯熱失控后，釋放電解液蒸汽，一方面使動力電池室內壓力增大，同時使動力電池室內可燃氣體濃度增加，當可燃氣體濃度達到爆燃濃度時，遇到高溫立即爆燃并損壞動力電池檢修門，不僅使動力電池失控，迅速擴展，而且損壞周圍相鄰設備。

根據動力電池系統物理分割原則中對防爆、泄壓裝置的要求，HXN6型混合動力調車機車動力電池進行物理分割后，動力電池倉內設置防爆、泄壓裝置，在保證電池倉內的可燃氣體在沒有達到燃爆點前就泄壓釋放。根據磷酸鐵鋰動力電池特性和電池倉的空間容量及結構強度確定動力電池倉的泄壓閥參數為：泄壓值4 kPa；泄壓速度5.2 L/s；流通量800 mm2。安裝位置設置在動力電池模塊側頂部，如圖8所示。泄爆方向在車頂斜上方，達到了遠離人工操作區、設備區和危險源，保證人員安全，防止次生災害目的。

圖8 泄壓閥安裝示意圖

3 試驗驗證

HXN6型混合動力調車機車動力電池成組結構優化方案于2018年12月12日在北京通過了中車集團公司組成的專家組的評審，并于2019年4月16日在北京通過了中國鐵路總公司科信部組成的專家組的評審。該動力電池系統優化改進后，中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所按照《2200 kW混合動力技術驗證調車機車補充研究試驗大綱》進行了機車動力電池系統保護裝置動作正確性試驗，主要包括：動力電池組過流、過壓，單體過壓、欠壓，SOC低，電池組溫度過高、過低，接地，全部合格；進行了管理系統通信故障試驗，驗證了機車上動力電池系統保護裝置動作正確；進行了動力電池冷卻能力試驗：在大于35℃環境條件下，模擬調車現場極端工況機車最大允許1200 kW放電功率進行持續放電，SOC從92%放至20%后，立刻進行柴油機1250 kW全功率持續充電，SOC從20%充至91%，動力電池最高溫度41℃，遠低于動力電池最高允許使用溫度55℃要求［1］。

北京交通大學對動力電池單體按照《HXN6型混合動力調車機車動力鋰離子電池單體和模組型式試驗大綱》進行了過放電、過充電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、低氣壓共9項安全性試驗，試驗結果合格；按《HXN6型混合動力調車機車動力鋰離子電池包和系統型式試驗大綱》對動力電池包進行了擠壓、溫度沖擊、濕熱循環、外部火燒、鹽霧、高海拔、過溫保護、過充電保護、過放電保護、過流保護、短路保護、短路、線束短路、熱失控、-40℃低溫放電性能等安全性試驗，試驗結果合格；按《HXN6型混合動力調車機車動力鋰離子電池包和系統型式試驗大綱》對動力電池系統進行了機械沖擊、耐振動試驗，全部合格；按《HXN6型混合動力調車機車動力鋰離子電池包和系統型式試驗大綱》對動力電池系統進行了35℃以上的高溫環境冷卻能力試驗，動力電池1200 kW最大放電功率放電，SOC從92%放至20%后，立刻進行柴油機1250 kW全功率持續充電，SOC從20%充至91%，再立即用900 kW放電功率持續放電，SOC從90%放至20%后，立刻進行柴油機970 kW功率持續充電，SOC從20%充至90%，動力電池最高溫度47℃，遠低于動力電池最高允許使用溫度55℃要求［2］。

4 結論

HXN6型混合動力調車機車優化后動力電池系統具有極高的安全性，符合在機車上裝車應用的安全要求。通過在成都局集團公司4個月的補充運用考核，機車動力電池系統工作穩定［3］。