王子超 高碩遙

地鐵鈦酸鋰電池車載儲能系統(tǒng)研究*

王子超1高碩遙2

（1．中國中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春；2.一汽轎車股份有限公司，130012，長春//第一作者，工程師）

以軌道交通車輛車載儲能系統(tǒng)為對象，對當前應用于軌道交通車輛中的超級電容、高能電容和鋰離子電池等車載儲能元件的性能進行對比分析，得出鈦酸鋰電池具有高功率密度、高能量密度、高可靠性的技術特點。結合鈦酸鋰電池的性能特點和控制策略的研究，通過項目應用實例和現(xiàn)場試驗對比，闡述了鈦酸鋰電池在地鐵車輛儲能系統(tǒng)中大規(guī)模應用的技術優(yōu)勢和廣闊前景。

地鐵車輛；車載儲能系統(tǒng)；鈦酸鋰電池

1 軌道交通車輛儲能技術簡介

軌道交通車輛儲能主要有三種用途：①用于列車輔助電源，在接觸網(wǎng)電壓缺失或者變流器故障等情況下，作為應急備用電源向車內負載（如照明、升降弓等）供電；②作為備用動力牽引源，在列車制動時將能量回收，牽引時提供部分動力源，在無網(wǎng)區(qū)或電網(wǎng)斷電時作為主動力源；③作為車載能量源，提供車輛所需的所有能源，包括牽引和輔助系統(tǒng)所需的功率和充電站間距內運行所需的能量，此用途可為線路省去電網(wǎng)，節(jié)省供電網(wǎng)絡建設和運維費用。

目前，對車載儲能元件的要求越來越高，除了單純的輔助電源功能外，主動力源或備用動力源功能已經(jīng)成為主流。這就對車載儲能元件有了新的要求：①儲能設備應具有高能量密度和高功率密度，以滿足在高功率輸出和高能量裝載的情況下車輛軸重的限制要求；②溫度適應性寬，能在-50～60℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作；③長壽命，減少儲能元件更換周期，降低運營成本；④安全性好，在儲能元件或儲能元件電路出現(xiàn)故障時不會危害到車輛和車上的人員；⑤抗振性能強，能夠適應動車組行駛時振動的要求；⑥自放電率低，不污染環(huán)境，無記憶效應，回收利用性好等。

2 軌道交通車載儲能元件

現(xiàn)有的可作為動力源使用的車載儲能元件主要有超級電容、高能電容和鋰離子電池。

超級電容作為車載儲能元件的優(yōu)點是：①充放電速度快，超級電容充放電是一個可逆的物理過程，大電流下可在10 s～10 min之內完成充放電；②使用循環(huán)次數(shù)多（可多達50萬次），且在充放電過程中沒有記憶效應；③高功率密度，超級電容的功率密度可達2～10 kW/kg；④效率高，超級電容的內阻一般在mΩ級，這使得其在充放電過程中具有極高的效率；⑤溫度范圍寬，低溫和高溫對其充放電電流的影響很小。鑒于超級電容的特性優(yōu)勢，其特別適用于軌道交通車輛的制動能量吸收和應急牽引。但是，由于超級電容的能量密度過小，在車重限制范圍內，超級電容儲能形式只能滿足制動能量吸收和斷電區(qū)的備用牽引需求［1-3］。

就目前的科技水平而言，增大超級電容的能量密度在短時間內難以取得突破，一種性能介于電容和電池之間的儲能設備——高能電容應運而生。高能電容將超級電容負極板的活性炭材料換成了快速儲鋰碳材料，其兼具了電池和電容的優(yōu)點，能量密度得到了大幅提高，可達到25～60 Wh/kg。但此種儲能材料的充放電效率受環(huán)境溫度的影響較大，且大電流充放電時發(fā)熱嚴重。高能電容成組模塊化后需要為其配備管理系統(tǒng)，且高能電容能量均衡的管理算法較為復雜［3-7］。目前高能電容和超級電容均已經(jīng)在車輛上裝車運營，其性能對比見表1。

表1 高能電容和超級電容性能對比

從表1可以看出，高能電容因其出色的短時間大功率密度和超大能量密度的放電特性而更加適用于有軌車輛，它能使車輛在不需要頻繁充電的情況下完成全線無接觸網(wǎng)運行。

對于全線無接觸網(wǎng)的軌道交通車輛而言，續(xù)航里程成為衡量車輛性能指標的重要因素，為了追求更長的續(xù)航里程，需要能量密度更高的儲能元件來滿足要求，且軌道交通用車載儲能元件必須具有較高的安全性和可靠性，功率型鈦酸鋰電池以其優(yōu)越的高倍率放電能力和高能量密度等特點進入了人們的視線。它以鈦酸鋰為負極材料，配合錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料共同組成電壓為2.3 V或1.9 V的全電池。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，鈦酸鋰電池由于改進了負極材料，一方面增加了鋰離子電池在負極的嵌入通道，另一方面避免了負極SEI（固態(tài)電解質）膜的產(chǎn)生，在溫度適用性、壽命、放電倍率和安全性等方面均具有明顯的優(yōu)勢。這也是該型電池在功率型應用及快充快放的應用領域被廣泛推廣的重要原因［8］。鈦酸鋰電池、超級電容及高能電容的性能參數(shù)比較見表2。

表2 鈦酸鋰電池、超級電容以及高能電容的性能參數(shù)比較

從表2可以看出，高倍率鈦酸鋰電池的功率密度和高能電容、超級電容的接近，而能量密度是高能電容的2倍，是超級電容的10倍。只要控制好充放電SOC（剩余容量與額定容量的比值），做好電池組的溫度控制，其壽命完全能夠達到高能電容的水平。

3 下一代地鐵鈦酸鋰電池車載儲能方案

3.1 方案概述

在科技部立項的下一代地鐵課題中，地鐵車載儲能系統(tǒng)將以鈦酸鋰電池作為儲能元件，以實現(xiàn)如下目標：①實現(xiàn)制動能量的本地吸收，并根據(jù)需要供牽引和輔助電源使用，提高整車效率；②實現(xiàn)正線電網(wǎng)斷電時的車輛自牽引，提高車輛應急情況處理能力；③實現(xiàn)車庫內的無電網(wǎng)運行，提高車輛庫內的檢修便利程度；④整車減重10%，能耗降低10%，降噪3 dB。

針對該項目的要求，本文設計了以鈦酸鋰電池車載儲能系統(tǒng)為核心的2動2拖B型地鐵車輛高壓拓撲，如圖1所示。

在該拓撲結構中，用動力電池箱替代傳統(tǒng)地鐵車輛的輔助電源電池箱，制動時，動力電池箱吸收VVVF（變壓-變頻）的制動能量并存儲起來；牽引時，其放出一部分能量保證動力電池有足夠的剩余容量以吸收制動能量；在自牽引工況下，其為牽引系統(tǒng)供電。該動力電池組的一部分直接與充電機相連，為車輛輔助系統(tǒng)提供電源以供喚醒上電使用。當KMB閉合時，動力電池箱與輔助高壓母線相連通，動力電池電源為車輛調試和應急負載供電。新型的高壓拓撲結構使車輛在不增加設備、不減少既有功能的情況下實現(xiàn)了系統(tǒng)的冗余，最大限度地提高了車輛的可靠性。同時，與原有系統(tǒng)高壓箱體相比，此方案為全車減重300 kg，為減輕軸重、提高運輸能力做出了一定貢獻。

3.2 鈦酸鋰電池車載儲能系統(tǒng)容量計算

圖1 下一代地鐵車輛高壓拓撲

本方案中，選用東芝2.9 Ah功率型電池，其額定電壓為2.4 V，電壓范圍為1.5～2.8 V；選用的成組方式為8并192串（每個DC-DC）；每個動力電池箱內設置2組模塊，每組模塊與其中一套牽引逆變器配合使用；輔助電源箱通過兩組并聯(lián)的方式連接。模塊組的額定電壓為460.8 V，工作電壓范圍為400～537.6 V。單個動力電池箱總容量為23.2 Ah，全列電量為42.7 kWh。

由于地鐵列車長期工作在頻繁牽引、制動模式下，從保證儲能電池功能、延長電池使用壽命和整車安全可靠的角度考慮，建議將電池的充放電區(qū)間控制在60%～75%，從而為電制動時的能量回收留有足夠的裕量。在充分考慮電制動能量的吸收和車輛可供給的動力電池箱空間等因素，經(jīng)過動力試驗，本方案最終決定采用電池箱單組330 A充放電模式。

圖2示出了2.9 Ah功率型鈦酸鋰電池60%SOC時以41.25 A充電（對應到8并電池箱為330 A）30 s時電池的電流和電壓變化曲線，以模擬車輛制動過程中向儲能系統(tǒng)回饋能量。在SOC為60%時，電池電壓約為2.502 V，此時整箱電池為480 V。當電池單體以41.25 A充電30 s后，測試數(shù)據(jù)顯示，單體吸收能量0.908 Wh（對應到整車為5.57 kWh），整車電壓變化范圍為497～512 V，功率范圍為656.04～675.84 kW，SOC變化11.6%。即制動結束后電池SOC為71.6%，電池單體電壓為2.67 V，處于保護電壓2.8 V下。根據(jù)上述分析，當電池的起始電量定在60%時，在330 A的充電電流下，電池對能量的吸收能力可以滿足整車的要求。同時，60%～75%SOC區(qū)間內，電池正負極材料及鋰離子活性強，電池具有較大功率輸出能力，在該SOC下循環(huán)充放電，對電池的壽命影響較小。

圖2 2.9 Ah鈦酸鋰電池60%SOC充電30 s電流電壓

下一代地鐵列車儲能系統(tǒng)除滿足日常列車運行中制動能量的回收、提高整車效率外，還可在供電區(qū)斷電時實現(xiàn)車輛自牽引，避免列車因供電故障停在區(qū)間。根據(jù)下一代地鐵列車運行路線進行牽引仿真計算，估算出上下行車各個站間及庫內運行耗電量，求得區(qū)間的最高耗電量為16.53 kWh。當車輛自牽引時，牽引對單組電池的放電電流約為150 A，輔助用電為50 A（整車輔助系統(tǒng)功率按照95 kW計算），則單組電池電流為200 A（對應單體25 A），放電電壓下限為392 V（對應單體2.05 V）。將電池起始電量調至60%，試驗數(shù)據(jù)表明，此情況下電池可用電量為24.5 kWh，電池放電電壓降低至392 V時，電池剩余電量約為5%。

在45 min緊急供電情況下，整車輔助應急負載功率約為25 kW，每只單體電池放電功率為4 W，在60%SOC下，試驗數(shù)據(jù)證明當放電截止（即電壓為392 V）時，可用電量為27.3 kWh，此時電池SOC為2%。

3.3 鈦酸鋰電池車載儲能箱體設計

鈦酸鋰電池箱采用鋁合金箱體，箱體內包含2組8并192串的電池組，以及冷卻風機、散熱風扇和電池管理系統(tǒng)（BMS）。檢修窗口設置在箱體的兩側，即吊裝在車體底架邊梁上后車體的兩側，高低壓出線分置在箱體的兩端（如圖3所示）。

圖3 下一代地鐵項目車載儲能電池箱外形圖

3.4 鈦酸鋰電池車載儲能控制系統(tǒng)

動力電池管理系統(tǒng)由檢測模塊（從板）和主控模塊（主板）兩部分組成，采用分布式管理方式。檢測模塊主要負責電池電流、單體電壓及溫度等系統(tǒng)狀態(tài)的檢測，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊；主控模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和計算，完成電池狀態(tài)估計和控制、數(shù)據(jù)存儲、與車上各控制器間的信息交互等工作。

BMS主要實現(xiàn)以下功能：①數(shù)據(jù)采集，精確檢測電池電壓、電流和溫度等參數(shù)；②數(shù)據(jù)通信，與車輛進行以太網(wǎng)通信；③狀態(tài)估計，在參數(shù)正確的前提下，應用一定的算法準確估計電池SOC與SOP（電池能提供的最大充放電功率或電流），正確評價電池健康狀態(tài)。

BMS通過霍爾傳感器采集電池充放電電流，以安時積分的方法計算電池SOC，同時在靜止時通過OCV（電池開路電壓）-SOC差值表修正因電流采樣精度及時間積分引起的SOC誤差，并通過數(shù)據(jù)擬合方式實現(xiàn)SOC的平滑修正；然后將準確的SOC值和溫度傳感器采集的電池溫度作為輸入量，求得電池允許的最大充放電電流，根據(jù)多種故障因素對允許充放電電流值進行修正和限制，并通過階梯式變化保證修正時平滑過渡；最后將電池的最大功率輸入輸出能力上報VVVF，由DC-DC通過脈沖調制控制電池的充放電電流。

此外，BMS還能夠實現(xiàn)：① 安全控制，包括過電壓控制和過電流控制、過充/放電控制、高/低溫保護等；②電池均衡，對電池組均衡充放電以減小單體電池之間的特性差異；③熱管理，控制電池溫度，降低各個電池模塊之間的溫度差異，使電池工作在適當?shù)臏囟确秶鷥龋?-10］。

4 鈦酸鋰電池在地鐵領域的應用展望

本車載儲能方案在下一代地鐵項目中的應用，將使整車能耗比傳統(tǒng)車輛降低20%，整車減重500 kg。此外，由于鈦酸鋰動力電池箱是智能化可控的，使得車載電池的維護工作量大大減少，并可實現(xiàn)車載電池的實時監(jiān)控和故障診斷，從而提高了車載儲能元件的安全性和可靠性。

相比超級電容和高能電容，鈦酸鋰電池在電動汽車等超級電容和高能電容儲能領域中應用廣泛，其控制技術和產(chǎn)品化程度相對成熟，價格也更低，它在能量密度上的優(yōu)勢更是超級電容和高能電容無法比擬的。隨著大功率、高能量儲能元件的市場需求不斷增大，鈦酸鋰電池制造技術及控制技術將不斷提高，其功率密度和循環(huán)壽命在進一步增加，對于地鐵車輛車載動力源這種應用場合，鈦酸鋰電池有著突出的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 曾桂珍,曾潤忠.沈陽渾南現(xiàn)代有軌電車超級電容器儲能裝置的設計及驗證［J］.城市軌道交通研究，2016（5）：74-82.

［2］ 王迅.城市軌道交通車載超級電容儲能系統(tǒng)控制策略的研究［D］．北京：北京交通大學，2010．

［3］ 王俊.基于超級電容儲能的新型有軌電車供電系統(tǒng)設計研究［D］.成都：西南交通大學，2012.

［4］ 劉海晶,夏永姚.混合型超級電容器的研究進展［J］.化學進展，2011（S1）：595.

［5］ 鄭宗敏，張鵬，閻興斌.鋰離子混合超級電容器電極材料研究進展［J］.科學通報，2013，58：3115-3123.

［6］ 黃任飛.鈦酸鋰電池在兆瓦級儲能系統(tǒng)中的應用分析［J］.儲能科學與技術，2015（3）：290-294。

［7］ 譚易.動力型鋰電池成組技術研究［D］武漢：武漢理工大學，2013.

Research on the On-board Energy Storage System with Lithium Titanate Battery

WANG Zichao，GAO Shuoyao

Aiming at the on-board energy storage system for urban rail transit，super capacitor，high-energy capacitor and lithium titanate battery that currently installed in passenger vehicles are compared，the technical features of lithium titanate battery,such as the high power density，high energy density and high reliability are confirmed.Combined with the research achievements for the characteristics and control strategy of lithium titanate battery，also through a comparison between practical application and field test，the technical advantages and broad prospect of lithium titanate battery in terms of application to the energy storage system of urban rail transit vehicle are described.

metro vehicle； on-board energy storage system；lithium titanate battery

TM912.1

10.16037/j.1007-869x.2017.10.008

First-author′s address CRRC Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd.，130062，Changchun，China

*國家科技支撐計劃專項資助項目（2015BAG13B01）

2016-10-25）