軌道交通工程車固態鋰離子電池系統應用分析

唐艷麗，張婷婷，江大發

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

1 引言

目前，軌道交通工程車主要采用鉛酸蓄電池作為牽引動力源。傳統工程車鉛酸蓄電池能量密度低，電池中存在大量的鉛和硫酸，廢棄后處理不當會對環境造成污染。傳統的液體電池采用有機液體電解液，在過度充電、內部短路等異常情況下，電池容易發熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴重的安全隱患[1-3]。而很多無機固態電解質材料不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題，因此，采用固態鋰離子電池代替傳統鉛酸蓄電池安全性大幅提高[4-7]。此外，固態電池由于沒有液態電解質和隔膜，電池外殼和冷卻系統得到簡化，減輕了電池重量，從而提高了體積能量密度和系統能量密度[8-9]。隨著軌道交通的發展，工程車對儲能系統的環保、安全性和能量密度等要求不斷提高[10-12]，同時，為助力實現我國“碳達峰、碳中和”的戰略目標，迫切需要發展高能量密度、環保的動力電池，同時兼顧功率特性、循環壽命和成本等其他性能[13-15]。

2 電池系統參數需求

軌道交通工程車用于線路檢測、檢修與維護作業，因此，牽引蓄電池需滿足供電模式下車輛自身牽引需求[16-17]。工程車牽引制動指標如表1所示，結合某典型線路數據，根據車輛單節車能耗實測數據統計以及仿真理論計算，牽引蓄電池系統所需容量為66 k W · h。考慮電池充電效率、放電系數、溫度系數及壽命系數（老化系數）等，牽引蓄電池設計容量考慮90%的放電深度和最大20%的老化率，牽引蓄電池系統實際設計容量應為66÷0.9÷0.8 = 91.67 k W · h。固態鋰離子電池系統參數需求如表2所示。

表1 工程車牽引制動指標

表2 固態鋰離子電池系統參數需求

3 電池系統配置方案

根據軌道交通工程車電池系統的需求電壓和電流，結合固態鋰離子電池單體參數，確定電池的串并聯方式3P4S（3并4串）及電池模組配置，并根據系統需求，組裝成電池包，進行電池系統能量配置，同時，結合軌道交通工程車現有的安裝空間和尺寸，進行電池系統的空間布置。

3.1 電池單體

固態鋰離子電池單體選用成熟的固態三元鋰電池軟包電芯，如圖1所示。主要技術參數如表3所示。

表3 固態鋰離子電池單體技術參數

圖1 固態鋰離子電池單體示意圖

3.2 電池模組

固態鋰離子電池模組由電池單體串并聯（3P4S）組成，為單層安裝結構，如圖2所示，主要技術參數如表 4所示。

表4 固態鋰電池模組技術參數

圖2 固態鋰離子電池模組示意圖

3.3 電池包

電池包由電池管理系統（BMS）、14個標準電池模組、高壓接口和箱體等組成。電池包外部配置高壓箱，用于充電管理及配電分配。固態鋰離子電池包如圖3所示。

圖3 固態鋰離子電池包示意圖

3.4 電池系統

固態鋰離子電池系統由4個相同的電池包、1個集成式電池系統配電盒（BDU）和1套BMS系統組成，如圖4所示。固態鋰離子電池系統安裝在車頂，采用自然散熱冷卻方式，具有高能量密度、裝配簡單、低成本的特點，便于系統檢修和維護。系統總正負極和線纜具有明確的標識，模組接線柱等部件均采取有效的絕緣保護。

圖4 固態鋰電池系統示意圖

軌道交通工程車采用固態鋰離子電池系統作為牽引動力源，通過牽引仿真計算，其各項技術參數、性能指標滿足軌道交通工程車車輛各項指標需求，固態鋰離子電池系統技術參數如表5所示。

表5 固態鋰離子電池系統技術參數

4 電池系統控制方案

BMS系統主要用于對車輛的動力電池參數進行實時監控和控制管理，其中包括高精度電池荷電狀態（SOC）估算、熱管理、故障診斷、充放電管理等，并通過控制器局域網絡（CAN）總線的方式與車輛集成控制器或充電機進行信息交互，保障車輛高效、可靠、安全運行。BMS 系統通過整車CAN與整車通信，實現對電池系統各項參數的實時監控，防止電池系統出現過度充電和過度放電，延長電池系統使用壽命，從而為車輛提供一個更加安全、穩定的運行環境。

固態鋰離子電池系統作為軌道交通工程車牽引動力源已經裝車運行考核1 年有余，通過牽引仿真計算，其性能指標仍滿足車輛各項指標需求，安全可靠性高。

5 電池系統壽命分析

軌道交通工程車要求儲能電源壽命需達到5年以上。根據蓄電池工程車使用經驗，工程車在使用時以接觸網或接觸軌供電模式為主，蓄電池供電模式主要用于庫內調車、維護作業（僅開啟輔助負載）以及電網故障等工況，平均每個工作日蓄電池深度循環次數小于1 次。假設工程車每月工作20天，全年蓄電池深度循環次數小于20×12 = 240次，則5年內蓄電池深度循環次數小于240×5 = 1 200次，固態鋰離子電池循環壽命為3 000次，可滿足軌道交通工程車電池系統壽命需求。

6 結語

固態鋰離子電池系統綠色環保，具有高安全性能、高能量密度、循環壽命長、工作溫度范圍寬等優勢，在軌道交通領域具有廣闊的產業化應用前景。將固態鋰離子電池進行系統集成并配置智能管理系統應用于軌道交通工程車，不僅能滿足軌道交通各種車輛功率和能量要求，實現全線無網運行，而且對軌道交通新型儲能動力包系統的發展具有重要影響。