李 俐

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035)

高速鐵路動(dòng)車組依靠受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的滑動(dòng)電接觸(弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能供給[1]。在經(jīng)過(guò)接觸網(wǎng)的分相區(qū)時(shí)，由于分相區(qū)接觸網(wǎng)失電，動(dòng)車組依靠自身慣性運(yùn)行，當(dāng)分相區(qū)坡道較大、車速較慢時(shí)，動(dòng)車組在分相區(qū)內(nèi)有停車的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)動(dòng)車組無(wú)法依靠弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸供能，而且占用行車道，需其他列車調(diào)運(yùn)或救援，嚴(yán)重影響高鐵線路運(yùn)營(yíng)效率[2]。為了克服這一缺陷，本文提出了通過(guò)動(dòng)車組自帶的蓄電池作為緊急牽引的動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)列車低速行走，自行運(yùn)行到接觸網(wǎng)有電區(qū)域的緊急牽引供電方案，改變了傳統(tǒng)列車分相區(qū)的緊急救援和調(diào)車模式，可減少救援調(diào)車成本和人員浪費(fèi)。緊急自牽引技術(shù)在城市軌道交通中取得了一定的發(fā)展，但在動(dòng)車組分相區(qū)緊急自牽引技術(shù)方面的研究，國(guó)內(nèi)外卻幾乎空白[3]。傳統(tǒng)的動(dòng)車組車載DC 110 V蓄電池系統(tǒng)僅作為備用電源為車載空調(diào)、風(fēng)機(jī)等輔助系統(tǒng)提供電力，將其用作緊急牽引動(dòng)力源時(shí)，需要結(jié)合動(dòng)車組牽引工況，對(duì)電池的性能參數(shù)、保護(hù)參數(shù)等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，而目前尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文結(jié)合高速鐵路動(dòng)車組運(yùn)行特點(diǎn)，提出了基于車載蓄電池的緊急牽引供電設(shè)計(jì)方案，對(duì)蓄電池容量、匹配性、充放電特性及電池管理系統(tǒng)等進(jìn)行了論證分析，并對(duì)方案進(jìn)行了模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基于車載蓄電池的緊急牽引動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

在列車運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)接觸網(wǎng)失電，列車被困于隧道或橋梁段時(shí)，需要進(jìn)行緊急牽引，緊急牽引的主要能量來(lái)源是車載蓄電池?；谲囕d蓄電池的緊急牽引動(dòng)力系統(tǒng)總體方案如圖1所示。當(dāng)接觸網(wǎng)失電無(wú)法短時(shí)恢復(fù)、車輛處于緊急牽引模式時(shí)，采用蓄電池供電方式運(yùn)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(qū)動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)緊急牽引，帶動(dòng)列車運(yùn)行至安全區(qū)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(dòng)力系統(tǒng)總體方案

1.2 蓄電池系統(tǒng)容量

緊急牽引動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行功率及電池容量指標(biāo)要具有使動(dòng)車組低速駛出無(wú)電區(qū)的能力。動(dòng)車組無(wú)電通過(guò)的總長(zhǎng)度為中性區(qū)段長(zhǎng)度、斷電標(biāo)距離中性段起點(diǎn)的長(zhǎng)度、合電標(biāo)距離中性段起點(diǎn)的長(zhǎng)度、動(dòng)車組斷主斷時(shí)距斷電標(biāo)的距離、重聯(lián)動(dòng)車組過(guò)分相控制邏輯差異補(bǔ)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(yùn)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(wú)電區(qū)需要用時(shí)7.5 min。以某和諧號(hào)動(dòng)車組作為對(duì)象，通過(guò)牽引計(jì)算，動(dòng)車組緊急牽引蓄電池系統(tǒng)需輸入的能耗為11.6 kWh。

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

根據(jù)蓄電池系統(tǒng)能耗可計(jì)算蓄電池系統(tǒng)所需理論容量C0[5]：

(1)

式中：W——蓄電池系統(tǒng)能耗；

U——蓄電池系統(tǒng)額定電壓。

經(jīng)計(jì)算，C0為105.5 Ah。結(jié)合蓄電池自身低溫修正系數(shù)及放電深度等因素，考慮各種因素對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。蓄電池系統(tǒng)的實(shí)際總?cè)萘緾[5]為：

(2)

式中：λ1——低溫修正系數(shù)，取λ1=0.9；

λ2——充電效率，取λ2=0.9；

λ3——蓄電池老化系數(shù)，取λ3=0.8；

λ4——蓄電池大容量放電系數(shù)，取λ4=0.9。

經(jīng)計(jì)算，可以得到蓄電池系統(tǒng)的實(shí)際總?cè)萘緾=180.8 Ah。考慮到蓄電池系統(tǒng)容量要有10%的冗余量，所以蓄電池系統(tǒng)容量選定為200 Ah。

1.3 蓄電池選型與模組結(jié)構(gòu)

伴隨蓄電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電池制造工藝的改進(jìn)，鋰離子電池技術(shù)趨于成熟，已經(jīng)作為動(dòng)力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車。與傳統(tǒng)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(zhǎng)，環(huán)境污染小，更加適合作為動(dòng)車組緊急牽引的動(dòng)力電池?？紤]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(biāo)，鈦酸鋰離子電池成為當(dāng)今最適宜在動(dòng)車組上使用的動(dòng)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要將單體電池進(jìn)行串并聯(lián)組合以滿足容量需求。在動(dòng)車組蓄電池緊急牽引系統(tǒng)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(jìn)行串并聯(lián)組合，首先將16個(gè)單體電池串聯(lián)組成串聯(lián)模塊，再將4個(gè)串聯(lián)模塊并聯(lián)組成電池模塊，每個(gè)電池模塊的電壓為36.8 V，額定容量為40 Ah。電池系統(tǒng)采用3個(gè)電池模塊串聯(lián)、5個(gè)串聯(lián)電池模塊組并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，電池組共采用15個(gè)電池模塊，電池系統(tǒng)額定電壓為110.4 V，容量為200 Ah。電池系統(tǒng)模塊框圖如圖2所示。

圖2 電池系統(tǒng)模塊框圖

采用這種電池模塊組合方式，首先，可以減小系統(tǒng)中能量單元，提高系統(tǒng)安全性；其次，任一個(gè)電池模塊都采用防水密封結(jié)構(gòu)，可采用風(fēng)冷對(duì)電池模塊進(jìn)行散熱；第三，當(dāng)任何一個(gè)電池模塊中的單體電池出現(xiàn)故障時(shí)，電池管理系統(tǒng)會(huì)將該電池模塊切除，保證整個(gè)電池組的使用安全。

1.4 蓄電池系統(tǒng)充電保護(hù)

由于動(dòng)車組緊急牽引蓄電池與充電機(jī)輸出長(zhǎng)期并聯(lián)，在保證正常工作情況下適當(dāng)減小充電電流，以延長(zhǎng)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(jù)環(huán)境溫度調(diào)整充電電壓[7]。充電機(jī)內(nèi)部控制器通過(guò)傳感器采集蓄電池箱內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取蓄電池箱內(nèi)部溫度，根據(jù)蓄電池的溫度補(bǔ)償曲線控制輸出相應(yīng)溫度下的充電電壓，以最大96 A的充電限流進(jìn)行恒壓限流充電，蓄電池溫度補(bǔ)償曲線如圖3所示。溫度補(bǔ)償曲線中紅色為浮充電曲線，藍(lán)色為升壓充電曲線，根據(jù)蓄電池的充電電流大小進(jìn)行溫度補(bǔ)償曲線的切換。當(dāng)充電電流大于19 A時(shí)，充電機(jī)默認(rèn)蓄電池處于虧電狀態(tài)，此時(shí)采用升壓充電曲線，通過(guò)提高輸入電壓實(shí)現(xiàn)大電流充電，快速給蓄電池補(bǔ)充能量；當(dāng)充電電流小于13 A時(shí)，充電機(jī)默認(rèn)蓄電池接近充滿，此時(shí)采用浮充電曲線，通過(guò)降低輸出電壓緩慢給蓄電池充滿電。

圖3 蓄電池溫度補(bǔ)償曲線

2 電池管理系統(tǒng)

2.1 電池管理系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于大功率鋰離子電池系統(tǒng)，蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)是必不可少的，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組內(nèi)單體電芯電壓、充放電電流、環(huán)境溫度、電池組的荷電狀態(tài)(SOC)等參數(shù)的檢測(cè)和計(jì)算，進(jìn)行故障分析和信息上傳；并對(duì)蓄電池組單體電芯間和模塊間進(jìn)行均衡，防止蓄電池組出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、超溫、過(guò)流等問(wèn)題，提高蓄電池單體間的一致性，保證工作安全及延長(zhǎng)蓄電池使用壽命[8]。蓄電池管理系統(tǒng)采用主、從架構(gòu)模式，每個(gè)電池模塊配備1個(gè)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(tǒng)架構(gòu)

2.2 電池組安全設(shè)計(jì)

為保證電池組的安全使用，需要多重保護(hù)措施，包含軟件、硬件安全設(shè)計(jì)、保護(hù)端口設(shè)計(jì)。

2.2.1 軟件安全設(shè)計(jì)

BMS檢測(cè)電池組中任意單體電壓過(guò)充、過(guò)放，電池組溫度過(guò)高、充放電電流過(guò)流等，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)報(bào)警或關(guān)閉電池組的輸出端口，對(duì)電池組進(jìn)行保護(hù)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2.2 硬件安全設(shè)計(jì)

BMS除軟件控制以外，還有過(guò)充和過(guò)放硬件保護(hù)電路，該電路完全獨(dú)立于BMS的其他電路。當(dāng)檢測(cè)到任意單體電池電壓出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，硬件電路自動(dòng)切斷電池組的輸出端口，對(duì)電池組進(jìn)行保護(hù)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電池管理系統(tǒng)安全保護(hù)參數(shù)

2.2.3 保護(hù)端口設(shè)計(jì)

為防止異常情況下電池組系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放，BMS具有過(guò)充、過(guò)放保護(hù)功能，保護(hù)端口設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

D1、D2.二極管。圖5 保護(hù)端口電路圖

保護(hù)端口工作邏輯如下：

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

(2) 當(dāng)BMS檢測(cè)到電池組出現(xiàn)過(guò)充時(shí)，J1閉合，J2斷開(kāi)，此時(shí)電池組不能充電，但可以通過(guò)J2并聯(lián)的二極管進(jìn)行放電；

(3) 當(dāng)BMS檢測(cè)到電池組出現(xiàn)過(guò)放時(shí)，J1斷開(kāi)，J2閉合，此時(shí)電池組不能放電，但可以通過(guò)J1并聯(lián)的二極管進(jìn)行充電；

(4) 當(dāng)BMS檢測(cè)到電池組出現(xiàn)溫度過(guò)高時(shí)，J1、J2斷開(kāi)，此時(shí)電池組不能充放電。

2.3 均衡設(shè)計(jì)

大量電池串、并聯(lián)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(shí)均衡啟動(dòng)：

(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(guò)50 mV；

(2) 電池組不處于放電狀態(tài)且所有電壓大于1.8 V時(shí)。

滿足以下條件時(shí)均衡關(guān)閉：

(1) 均衡啟動(dòng)后，當(dāng)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(shí)，均衡關(guān)閉；

(2) 電池組進(jìn)入其他工作狀態(tài)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)制定的緊急牽引動(dòng)力系統(tǒng)總體方案，采用車載充電機(jī)、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(yàn)臺(tái)(圖6)，模擬進(jìn)行緊急牽引線路運(yùn)行。在蓄電池充滿電的狀態(tài)下，經(jīng)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(jī)負(fù)載，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定轉(zhuǎn)矩994 N·m，轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min，在該工況下持續(xù)工作，蓄電池由98%初始電量至輸出報(bào)欠壓。

圖6 緊急牽引模擬試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)從37：15開(kāi)始至51：42蓄電池組放電截止，系統(tǒng)共運(yùn)行14 min，在10 km/h速度下行駛距離為 2.33 km，模擬運(yùn)行1 250 m時(shí)電池剩余電量約57%。試驗(yàn)表明：鋰電池選型合理，容量具有一定的冗余。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 緊急牽引模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

電池系統(tǒng)除充放電、均衡性等安全主動(dòng)保護(hù)功能外，還需在蓄電池箱內(nèi)安裝煙火探頭，用來(lái)檢測(cè)煙霧和火災(zāi)，最大限度地保證動(dòng)車組的安全可靠運(yùn)行，鈦酸鋰電池作為緊急電池已經(jīng)在CR400BF型復(fù)興號(hào)動(dòng)車組上得到了應(yīng)用[10]。

4 結(jié)論

本文以動(dòng)車組緊急牽引模式下的鋰電池應(yīng)用為研究對(duì)象，按照緊急牽引能耗計(jì)算出了鋰電池的容量，搭建了鋰電池系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了鋰電池管理系統(tǒng)，優(yōu)化配置了電池管理系統(tǒng)安全保護(hù)參數(shù)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了地面模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋰電池選型的合理性，可滿足動(dòng)車組緊急牽引的動(dòng)力需求，對(duì)該技術(shù)在動(dòng)車組上的應(yīng)用實(shí)施提供了技術(shù)支撐。