胡壽建　錢廣民

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現(xiàn)代導(dǎo)軌電車牽引電池包技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)際運(yùn)行故障簡(jiǎn)析

胡壽建錢廣民

介紹天津開(kāi)發(fā)區(qū)新交通試驗(yàn)線現(xiàn)代導(dǎo)軌電車所采用的 SAFT 牽引電池包的主要技術(shù)特征，并對(duì)電池包的鎳氫電池模塊、電池包控制單元（BMC）及電池包溫度管理系統(tǒng)（BTMS）的主要技術(shù)特征進(jìn)行了詳細(xì)闡述。還介紹了牽引電池包實(shí)際運(yùn)行狀況，梳理和總結(jié)了該電池包存在的各類典型故障，為國(guó)內(nèi)其他采用牽引電池包動(dòng)力模式的有軌電車線路提供借鑒和參考。

牽引電池包；鎳氫電池模塊；電池包控制單元；電池包溫度管理系統(tǒng)；運(yùn)行狀況；故障分析

0　引言

隨著石油危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，人們普遍認(rèn)識(shí)到綠色環(huán)保車輛是未來(lái)地面交通的發(fā)展方向。在國(guó)內(nèi)城市公共交通中，大運(yùn)量的地鐵、輕軌在這幾年突飛猛進(jìn)的發(fā)展；同時(shí)，在小運(yùn)量的公交車中出現(xiàn)了純電動(dòng)公交車。這類純電動(dòng)公交車所選用的電池類型中，鋰電池、超級(jí)電容及鎳氫電池均有應(yīng)用，但受限于公交車牽引功率，這類電池普遍為小功率電池，電池組電壓也一般均在 408 V 以下，大功率、電池組電壓在 500 V 以上的電池組在國(guó)內(nèi)甚少應(yīng)用。

天津開(kāi)發(fā)區(qū)新交通試驗(yàn)線為我國(guó)首條現(xiàn)代有軌電車線路。由于地形的限制，在其正線線路中存在 1 段無(wú)網(wǎng)區(qū)（220 m），因此，該線路選用法國(guó)勞爾公司生產(chǎn)的Translohr 自身帶有牽引電池包的膠輪導(dǎo)向電車（現(xiàn)代導(dǎo)軌電車）。在無(wú)接觸網(wǎng)模式下，牽引電池包可以為車輛提供牽引動(dòng)力。該牽引電池包采用法國(guó) SAFT 公司生產(chǎn)的單體達(dá) 34 A·h鎳氫電池模塊，電池包額定電壓 526 V，最大電壓 660 V。

下面將結(jié)合該型電池包的技術(shù)特征和實(shí)際運(yùn)營(yíng)中發(fā)生的典型故障進(jìn)行介紹。

1　SAFT牽引電池包技術(shù)特征

新交通試驗(yàn)線每輛 T r a n s l o h r 電車均配備 1 個(gè) NHP10-340×44 型電池包，安裝在車輛頂部的密閉箱體內(nèi)（圖1）。牽引電池包主要由鎳氫電池模塊(NHP)、電池包控制單元（BMC）和電池包溫度管理系統(tǒng)（BTMS）3 個(gè)部分組成。其具體參數(shù)見(jiàn)表 1。

圖1　牽引電池包在 Translohr STE3 電車位置示意圖

1.1鎳氫電池模塊

箱體內(nèi)包含 44 個(gè) 10-340 型 NHP 串聯(lián)模塊，每個(gè)單體模塊均含有 10 個(gè)電池，每 22 個(gè)模塊分別組裝在 2 個(gè)插架上（圖2）。

（1）所有鎳氫電池模塊成 3 或 4 排排列，并由保護(hù)帽保護(hù)。

（2）每個(gè)單體模塊由 10 個(gè)電化學(xué)電池串聯(lián)組成，電壓為 12 V。

表1　牽引電池包基本性能參數(shù)

圖2　牽引電池包鎳氫電池模塊及插架組成

圖3　鎳氫電池模塊內(nèi)部循環(huán)回路

（右邊為鎳氫電池模塊單只電池循環(huán)回路）

（3）每個(gè)鎳氫電池模塊內(nèi)部都有復(fù)雜的循環(huán)回路，并與電池包溫度管理系統(tǒng)的制冷或加熱回路相連，以增加其冷卻或散熱能力（圖 3）。

（4）在連接處固定的傳感器可以測(cè)量每 2 組模塊的電壓和溫度。電壓傳感器和溫度傳感器的測(cè)量值由專用信息采集卡進(jìn)行收集，并傳送給電池包控制單元。

1.2電池包控制單元

電池包控制單元（BMC）是牽引電池包的大腦（圖 4），由 24 V 供電，具有以下功能：測(cè)量模塊的電壓和溫度，測(cè)量電池包的電壓和電流，電子設(shè)備的控制和診斷，管理在電車上的充電和放電，管理外部充電器，管理和控制電池包的溫度管理系統(tǒng)。系統(tǒng)自診斷60 種報(bào)警信息并通過(guò)電車 CAN 網(wǎng)（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）現(xiàn)場(chǎng)總線向電車傳輸電池包剩余能量數(shù)值、報(bào)警、充電電流等信息。

圖4　電池包管理單元

1.3電池包溫度管理系統(tǒng)

為了保證電池包模塊的性能及生命周期，維持電池包運(yùn)行在最佳的溫度范圍內(nèi)（20 ℃±3 ℃ ），電池包溫度管理系統(tǒng)（BTMS）由 1 個(gè)冷卻或加熱的空調(diào)機(jī)組和 2 條分別充滿水溶液和乙二醇溶液的循環(huán)回路組成，循環(huán)回路用于給每個(gè)鎳氫電池模塊冷卻或加熱。

（1）第 1 條回路（制冷）由包括壓縮機(jī)、干燥機(jī)、脫水過(guò)濾網(wǎng)等部件組成。這條回路配有指示器可以檢查冷媒液的液位和濃度。

（2）第 2 條回路（加熱）由水泵、加熱器（浸沒(méi)式加熱器）、流量計(jì)、溢流口、排泄口等部件組成。

1.4SAFT牽引電池包與電車接口

牽引電池包可以保證在無(wú)接觸網(wǎng)供電的狀態(tài)下，完全滿足電車的牽引電力供應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在電車通過(guò)接觸網(wǎng)供電時(shí)，電池包可根據(jù) BMC 與電車CAN 網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線間通信自動(dòng)檢測(cè)所處的運(yùn)行模式。電池包有以下3種運(yùn)行模式。

（1）供電模式。電池包給電車提供能量、放電。

（2）充電模式。牽引電能由電網(wǎng)提供，電池包通過(guò)中間的充電器實(shí)現(xiàn)再充電。

（3）待機(jī)模式。牽引電池包處于待機(jī)狀態(tài)，保存已儲(chǔ)存的能量。

當(dāng)牽引電池包轉(zhuǎn)化為供電模式時(shí)，首先電車通過(guò)CAN 網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)出指令，電池包收到命令后，由電池包控制單元控制電池包內(nèi)部接觸器（Kbatt）閉合，然后，電車閉合 Kaps 接觸器（電車電池包模式開(kāi)關(guān)），這樣牽引電池包能量就能反饋至電車 750 V 供電網(wǎng)絡(luò)，由電車分配相關(guān)電能供電車 2 組牽引逆變單元使用。包就報(bào)故障，需將電車排空回段后，更換模塊或均衡充電，其故障嚴(yán)重影響整組電池包的性能。

圖5　SAFT 牽引電池包與 Translohr 電車電氣連接示意圖

2　SAFT 牽引電池包實(shí)際運(yùn)用情況及故障類型

天津開(kāi)發(fā)區(qū)新交通試驗(yàn)線作為國(guó)內(nèi)首條在正線部分區(qū)段使用大功率牽引電池包動(dòng)力模式的有軌電車線路，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，積累了大量大功率電池包的運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。該型電池包的技術(shù)特征吸引了國(guó)內(nèi)眾多生產(chǎn)廠家和科研院所的注意，紛紛來(lái)津考察、研究。

盡管 SAFT 電池包技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大，但在實(shí)際的運(yùn)用中表現(xiàn)并不理想。牽引電池包的環(huán)境適應(yīng)能力差、故障率高，同時(shí)，該電池包單體備件采購(gòu)昂貴，采購(gòu)周期長(zhǎng)，使用壽命短，嚴(yán)重影響了正常運(yùn)營(yíng)。牽引電池包故障主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）鎳氫電池模塊故障。鎳氫電池模塊故障是最常見(jiàn)的故障，其表現(xiàn)形式有：模塊電壓低，充電溫度高，內(nèi)阻變大，爬堿嚴(yán)重，電池容量下降等，它們之間相互影響。其中電壓低、溫度高會(huì)被 BMC 直接監(jiān)測(cè)到，產(chǎn)生故障報(bào)警，切斷電源供應(yīng)。

（2）電池包溫度管理系統(tǒng)故障。該系統(tǒng)故障也是車輛運(yùn)營(yíng)中電池包常見(jiàn)故障。牽引電池包通過(guò)對(duì)乙二醇和水溶液的加熱、制冷，調(diào)節(jié)鎳氫電池模塊的工作環(huán)境溫度，使鎳氫電池模塊發(fā)揮最佳工作性能。故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池模塊溫度偏離工作適宜溫度，造成整組電池包無(wú)法正常工作，不但影響車輛的運(yùn)營(yíng)，還可能需要進(jìn)行車輛救援。常見(jiàn)故障有制冷故障、加熱故障、循環(huán)故障以同時(shí)，天津地區(qū)夏季高溫、高濕天氣較多，當(dāng)外部環(huán)境溫度與電池內(nèi)部溫度偏差過(guò)大時(shí)，就會(huì)有凝露現(xiàn)象，當(dāng)冷凝水泄漏到鎳氫電池模塊上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池模塊絕緣擊穿，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池著火。

同時(shí)，由于電池包管理單元對(duì) 44 個(gè)鎳氫電池模塊以每 2 組 1 個(gè)單元進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)單元間常存在均衡壓差故障，當(dāng) 2 個(gè)檢測(cè)單元之間的壓差超過(guò) 0.2 V，電池及漏液等。

（3）電池包控制單元（BMC）故障。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，多次發(fā)生過(guò)因密封不嚴(yán)造成 BMC 進(jìn)水及電壓波動(dòng)引起 BMC 燒毀故障。該系統(tǒng)故障直接導(dǎo)致整組電池包無(wú)法工作。

（4）電池包充電器故障。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，因電壓波動(dòng)或溫度過(guò)高，多次引發(fā)牽引電池包充電器電容漏漿或燒毀故障。充電器輸出 600 V 直流電對(duì)牽引電池包進(jìn)行充電。一旦該部件出現(xiàn)故障，牽引電池包就只能放電而無(wú)法充電。

（5）各種傳感器以及信息采集卡故障。因電池包內(nèi)部在充放電過(guò)程中會(huì)釋放出腐蝕性氣體和液體，對(duì)各類傳感器灼燒嚴(yán)重。當(dāng)其采集信息無(wú)法傳遞給 BMC 進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池包報(bào)警，甚至停止工作。

以上故障，通過(guò)加大檢修力度和提前預(yù)防性更換等措施，將電池包故障降低到一定程度。同時(shí)，也有必要參考 SAFT 電池包設(shè)計(jì)理念，適時(shí)開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化研究，以節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

3　結(jié)束語(yǔ)

Translohr 電車應(yīng)用的 SAFT 電池包設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，內(nèi)部構(gòu)架合理，是大功率電池組應(yīng)用的范例，值得國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)研究。但 SAFT 電池包在產(chǎn)品可靠性及國(guó)內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)能力方面還存在諸多問(wèn)題，需要有針對(duì)性地加大檢修力度，并適時(shí)啟動(dòng)國(guó)產(chǎn)化工作以節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

[1] 錢廣民. Translohr 膠輪導(dǎo)向電車電氣系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)研究[J]. 城市軌道交通研究，2014（4）：97-101.

[2] 周慶瑞，施翊. 新型有軌電車及創(chuàng)新的供電制式[J].都市快軌交通，2008（6）：95-97.

[3] 柴適. 有軌電車供電新技術(shù)[J]. 城市公用事業(yè)，2011 （4）：53-54.

[4] LOHR INDUSTRIE. D00004306 TRANSLOHR STE3 TECHNICAL SPECIFICATIONS[G]. 天津：天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，2006.

Technical Characteristics of Traction Battery Pack of Modern Tram and Practical
Operation Fault Analysis

Hu Shoujian, Qian Guangmin

The paper makes an introduction of the main technical characteristics of SAFT traction battery pack of modern rail tram for the new transport test line of modern rail tram in Tianjin Development Zone, and detailed description of the main technical characteristics battery pack nickel metal hydride battery module, battery pack control unit (BMC) and battery pack temperature management system (BTMS). And it also introduces the actual situation of the traction battery pack, classifies and summarizes the various typical faults of battery pack in the present operation, providing references for other domestic use of traction battery pack power model on tram lines.

traction battery package, nickel metal hydride battery module, battery pack control unit, battery pack temperature management system, operating conditions, fault analysis

U482.1∶U260.4+9

胡壽建：天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，工程師，天津 300457

2015-02-28責(zé)任編輯 冒一平