基于車載電池的動車組緊急牽引動力源研究

李 俐

(中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心，河北 唐山 063035)

高速鐵路動車組依靠受電弓滑板與接觸網導線的滑動電接觸(弓網滑動電接觸)來實現電能供給[1]。在經過接觸網的分相區時，由于分相區接觸網失電，動車組依靠自身慣性運行，當分相區坡道較大、車速較慢時，動車組在分相區內有停車的風險，此時動車組無法依靠弓網滑動電接觸供能，而且占用行車道，需其他列車調運或救援，嚴重影響高鐵線路運營效率[2]。為了克服這一缺陷，本文提出了通過動車組自帶的蓄電池作為緊急牽引的動力源，實現列車低速行走，自行運行到接觸網有電區域的緊急牽引供電方案，改變了傳統列車分相區的緊急救援和調車模式，可減少救援調車成本和人員浪費。緊急自牽引技術在城市軌道交通中取得了一定的發展，但在動車組分相區緊急自牽引技術方面的研究，國內外卻幾乎空白[3]。傳統的動車組車載DC 110 V蓄電池系統僅作為備用電源為車載空調、風機等輔助系統提供電力，將其用作緊急牽引動力源時，需要結合動車組牽引工況，對電池的性能參數、保護參數等進行重新設計，而目前尚未見相關文獻報道。本文結合高速鐵路動車組運行特點，提出了基于車載蓄電池的緊急牽引供電設計方案，對蓄電池容量、匹配性、充放電特性及電池管理系統等進行了論證分析，并對方案進行了模擬試驗驗證。

1 基于車載蓄電池的緊急牽引動力系統設計

1.1 總體方案

在列車運行過程中，當接觸網失電，列車被困于隧道或橋梁段時，需要進行緊急牽引，緊急牽引的主要能量來源是車載蓄電池。基于車載蓄電池的緊急牽引動力系統總體方案如圖1所示。當接觸網失電無法短時恢復、車輛處于緊急牽引模式時，采用蓄電池供電方式運行，利用DC/DC逆變模塊將蓄電池組輸出的DC 110 V直流電變換至DC 400 V直流電，再利用DC/AC三相逆變模塊將DC 400 V直流電再逆變成三相交流電，驅動三相交流電動機工作，實現緊急牽引，帶動列車運行至安全區域。

C.電池；D.二極管；Q.晶閘管。圖1 基于車載蓄電池的緊急牽引動力系統總體方案

1.2 蓄電池系統容量

緊急牽引動力系統的運行功率及電池容量指標要具有使動車組低速駛出無電區的能力。動車組無電通過的總長度為中性區段長度、斷電標距離中性段起點的長度、合電標距離中性段起點的長度、動車組斷主斷時距斷電標的距離、重聯動車組過分相控制邏輯差異補償距離之和，約為1 250 m[4]。由于列車緊急牽引距離非常短，基于運行安全考慮，緊急牽引速度定為10 km/h，列車駛出分相段的無電區需要用時7.5 min。以某和諧號動車組作為對象，通過牽引計算，動車組緊急牽引蓄電池系統需輸入的能耗為11.6 kWh。

目前動車組直流系統供電電壓為DC 110 V，考慮到兼容性，緊急牽引蓄電池系統的額定電壓也選定為110 V。

根據蓄電池系統能耗可計算蓄電池系統所需理論容量C0[5]：

(1)

式中：W——蓄電池系統能耗；

U——蓄電池系統額定電壓。

經計算，C0為105.5 Ah。結合蓄電池自身低溫修正系數及放電深度等因素，考慮各種因素對計算結果進行修正。蓄電池系統的實際總容量C[5]為：

(2)

式中：λ1——低溫修正系數，取λ1=0.9；

λ2——充電效率，取λ2=0.9；

λ3——蓄電池老化系數，取λ3=0.8；

λ4——蓄電池大容量放電系數，取λ4=0.9。

經計算，可以得到蓄電池系統的實際總容量C=180.8 Ah。考慮到蓄電池系統容量要有10%的冗余量，所以蓄電池系統容量選定為200 Ah。

1.3 蓄電池選型與模組結構

伴隨蓄電池產業的發展以及電池制造工藝的改進，鋰離子電池技術趨于成熟，已經作為動力系統廣泛應用于電動汽車。與傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池和鈉硫電池等不同的是：鋰離子電池的能量密度高，放電倍率高，允許的充電電流大，使用壽命長，環境污染小，更加適合作為動車組緊急牽引的動力電池。考慮到將蓄電池的低溫性能、使用壽命、安全性、能量密度作為主要要求指標，鈦酸鋰離子電池成為當今最適宜在動車組上使用的動力源之一[6]。

鈦酸鋰電池的單體額定電壓為2.3 V，額定容量為10 Ah，由于單體鈦酸鋰電池電壓低，容量小，放電電流小，在實際應用時，需要將單體電池進行串并聯組合以滿足容量需求。在動車組蓄電池緊急牽引系統中，為得到DC 110 V、200 Ah蓄電池組電壓容量要求，需將鈦酸鋰電池單體進行串并聯組合，首先將16個單體電池串聯組成串聯模塊，再將4個串聯模塊并聯組成電池模塊，每個電池模塊的電壓為36.8 V，額定容量為40 Ah。電池系統采用3個電池模塊串聯、5個串聯電池模塊組并聯的結構，電池組共采用15個電池模塊，電池系統額定電壓為110.4 V，容量為200 Ah。電池系統模塊框圖如圖2所示。

圖2 電池系統模塊框圖

采用這種電池模塊組合方式，首先，可以減小系統中能量單元，提高系統安全性；其次，任一個電池模塊都采用防水密封結構，可采用風冷對電池模塊進行散熱；第三，當任何一個電池模塊中的單體電池出現故障時，電池管理系統會將該電池模塊切除，保證整個電池組的使用安全。

1.4 蓄電池系統充電保護

由于動車組緊急牽引蓄電池與充電機輸出長期并聯，在保證正常工作情況下適當減小充電電流，以延長蓄電池組的使用壽命，選擇恒壓限流和浮充電方式完成充電，并根據環境溫度調整充電電壓[7]。充電機內部控制器通過傳感器采集蓄電池箱內部的溫度數據，實時獲取蓄電池箱內部溫度，根據蓄電池的溫度補償曲線控制輸出相應溫度下的充電電壓，以最大96 A的充電限流進行恒壓限流充電，蓄電池溫度補償曲線如圖3所示。溫度補償曲線中紅色為浮充電曲線，藍色為升壓充電曲線，根據蓄電池的充電電流大小進行溫度補償曲線的切換。當充電電流大于19 A時，充電機默認蓄電池處于虧電狀態，此時采用升壓充電曲線，通過提高輸入電壓實現大電流充電，快速給蓄電池補充能量；當充電電流小于13 A時，充電機默認蓄電池接近充滿，此時采用浮充電曲線，通過降低輸出電壓緩慢給蓄電池充滿電。

圖3 蓄電池溫度補償曲線

2 電池管理系統

2.1 電池管理系統架構

對于大功率鋰離子電池系統，蓄電池管理系統(BMS)是必不可少的，其主要功能是實現對電池組內單體電芯電壓、充放電電流、環境溫度、電池組的荷電狀態(SOC)等參數的檢測和計算，進行故障分析和信息上傳；并對蓄電池組單體電芯間和模塊間進行均衡，防止蓄電池組出現過充、過放、超溫、過流等問題，提高蓄電池單體間的一致性，保證工作安全及延長蓄電池使用壽命[8]。蓄電池管理系統采用主、從架構模式，每個電池模塊配備1個從模塊，如圖4所示。

J1.充電繼電器； J2.放電繼電器。圖4 蓄電池管理系統架構

2.2 電池組安全設計

為保證電池組的安全使用，需要多重保護措施，包含軟件、硬件安全設計、保護端口設計。

2.2.1 軟件安全設計

BMS檢測電池組中任意單體電壓過充、過放，電池組溫度過高、充放電電流過流等，當達到觸發條件時報警或關閉電池組的輸出端口，對電池組進行保護，詳細參數見表1。

2.2.2 硬件安全設計

BMS除軟件控制以外，還有過充和過放硬件保護電路，該電路完全獨立于BMS的其他電路。當檢測到任意單體電池電壓出現過充、過放達到觸發條件時，硬件電路自動切斷電池組的輸出端口，對電池組進行保護，詳細參數見表1。

表1 電池管理系統安全保護參數

2.2.3 保護端口設計

為防止異常情況下電池組系統出現過充、過放，BMS具有過充、過放保護功能，保護端口設計見圖5。

D1、D2.二極管。圖5 保護端口電路圖

保護端口工作邏輯如下：

(1) 當BMS檢測到電池組一切工作正常時，J1、J2同時閉合，電池組可以充電，也可以放電；

(2) 當BMS檢測到電池組出現過充時，J1閉合，J2斷開，此時電池組不能充電，但可以通過J2并聯的二極管進行放電；

(3) 當BMS檢測到電池組出現過放時，J1斷開，J2閉合，此時電池組不能放電，但可以通過J1并聯的二極管進行充電；

(4) 當BMS檢測到電池組出現溫度過高時，J1、J2斷開，此時電池組不能充放電。

2.3 均衡設計

大量電池串、并聯使用，由于單體電池存在差異，必須采取均衡措施保證電池的充放電一致，保證電池的安全使用[9]。

滿足以下條件時均衡啟動：

(1) 模塊中的任意單體電池電壓與整組中的單體電壓平均值相差超過50 mV；

(2) 電池組不處于放電狀態且所有電壓大于1.8 V時。

滿足以下條件時均衡關閉：

(1) 均衡啟動后，當模塊中的任意單體電池電壓與整組中的單體電壓平均值相差小于30 mV時，均衡關閉；

(2) 電池組進入其他工作狀態。

3 試驗驗證

根據制定的緊急牽引動力系統總體方案，采用車載充電機、蓄電池、DC/DC逆變模塊、牽引變流器等搭建緊急牽引模擬試驗臺(圖6)，模擬進行緊急牽引線路運行。在蓄電池充滿電的狀態下，經DC/DC逆變模塊給牽引逆變器供電，牽引變流器牽引異步電機負載，電動機轉速給定轉矩994 N·m，轉速達到200 r/min，在該工況下持續工作，蓄電池由98%初始電量至輸出報欠壓。

圖6 緊急牽引模擬試驗臺

試驗從37：15開始至51：42蓄電池組放電截止，系統共運行14 min，在10 km/h速度下行駛距離為 2.33 km，模擬運行1 250 m時電池剩余電量約57%。試驗表明：鋰電池選型合理，容量具有一定的冗余。試驗數據見表2。

表2 緊急牽引模擬試驗數據表

電池系統除充放電、均衡性等安全主動保護功能外，還需在蓄電池箱內安裝煙火探頭，用來檢測煙霧和火災，最大限度地保證動車組的安全可靠運行，鈦酸鋰電池作為緊急電池已經在CR400BF型復興號動車組上得到了應用[10]。

4 結論

本文以動車組緊急牽引模式下的鋰電池應用為研究對象，按照緊急牽引能耗計算出了鋰電池的容量，搭建了鋰電池系統的系統架構，設計了鋰電池管理系統，優化配置了電池管理系統安全保護參數。同時，根據實際應用場景，搭建試驗臺進行了地面模擬試驗，驗證了鋰電池選型的合理性，可滿足動車組緊急牽引的動力需求，對該技術在動車組上的應用實施提供了技術支撐。