地鐵車輛供電蓄電池合理選型分析

（唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035）

1 概述

地鐵車輛電氣系統設計中，蓄電池組參數的確定及電池箱的設計是電氣系統中一個比較重要的子系統。在地鐵車輛特殊的運營模式下，作為緊急負載供電電源，蓄電池主要功能如下：

1.1 車輛在運行過程中在列車啟動前激活各控制系統，同時為輔助逆變器提供控制電源。在線路電網無網壓或帶充電機的輔助逆變器全故障不工作情況下，蓄電池為車上應急照明、與安全有關的網絡控制系統、車輛的全部通信設備（包括PIDS、廣播、無線電等）以及緊急通風設備、門控設備等提供緊急供電電源，維持規定的緊急供電時間，滿足乘客安全逃生與供電需求。

1.2 在降弓狀態下為地鐵車輛DC110V（以B型地鐵為例）控制電路、照明、網絡控制系統、PIDS系統等低壓設備提供DC110V電源，保證地鐵車輛升弓并投入工作。

1.3 地鐵車輛正常運行中，蓄電池和輔助逆變器的充電機共同為DC110V控制母線供電，起到濾波作用，降低控制母線電源的紋波系數，提高母線電源的質量。

因此，正確選用蓄電池型號、組個數、確定其參數，對地鐵車輛輔助供電系統的設計有重要的意義。

2 蓄電池選型原則

地鐵車輛蓄電池的選型一般遵循以下步驟：

2.1 按照車輛采購要求計算緊急工況下直流負載的總功率。

2.2 選取符合要求的蓄電池類型，并依照業主當地的氣候條件和合同要求確定所選蓄電池的溫度補償系數、老化效率和充電效率。

2.3 計算所選蓄電池的實際所需容量，確保在其使用壽命終止時能夠滿足合同要求。

緊急負載是地鐵車輛在運營過程中最大的110V直流負載。緊急狀態下完全由蓄電池供電，一般要求供電維持時間為45min。在選型時，首先應計算地鐵車輛緊急負載功率，然后根據該功率的大小、地鐵車輛的運用條件、電池的性能參數等條件計算蓄電池的容量。按照具體型式的電池性能參數計算出電池組的容量數據.結合電池組對地鐵車輛運用條件(如溫度、濕度、抗震、耐過充過放、與110V直流電源的匹配、可維護性、環境保護、人身安全、體積、質量等)的適應性進行比較.確定最適合的電池容量值。

3 蓄電池容量計算

蓄電池計算容量主要取決于車輛在緊急工況下，應急用電設備的總功率和應急供電的總時間，再結合蓄電池自身低溫修正系數及放電深度等因素，最后對計算結果進行修正。

3.1 車輛緊急工況下用電設備總功率統計（參考某B型車項目）

在45min內持續為以下應急負載供電：全部緊急照明、全部頭燈和尾燈、所有與安全有關的控制系統、全部通信設備（包括列車廣播、車載無線電等）、客室緊急通風、所有客室側門的一次開關。供電45min后蓄電池的電量足以使列車再次啟動。緊急負載功率參數如表1。

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考慮DC110V/DC24V變換器的變換效率η約為0.85，若折合為DC110V的功率 為：0.46kW/0.85=0.54 kW

3.2 車載蓄電池總容量計算

式中：P-蓄電池所帶負載總功率，W；U-直流系統額定電壓，V；T-應急時間，h。

蓄電池單節浮充電壓為：1.45V～1.55V取1.55V

DC110V電壓范圍為：77V～121V取121V

蓄電池單體額定電壓：1.2V

蓄電池單體放電終止電壓：不大于1.05V

蓄電池單體放電平均電壓：（1.2+1.05）/2=1.125V

因為每組所需蓄電池數量的確定還需考慮其他因素，所以不能簡單地確定為110÷1.2＝91節。

根據電氣設計經驗，并咨詢國內資深蓄電池設計師，認為按照下述公式進行浮充蓄電池數量的選擇是比較合理的：

Ni=Uc/Uj=121/1.55=78.06，所以蓄電池取78只。

式中：Ni-蓄電池數量，節；Uc-車輛低壓系統允許最大電壓，V；Uj-單節蓄電池浮充電壓，堿性蓄電池取Uj=1.55V/節；

整個蓄電池組額定電壓為：1.125V×78=87.75V。

但是如果按此數量設計，則蓄電池組總體電壓偏低，一旦充電機停止工作，僅靠蓄電池供電，用電時間不長，可能使車上欠壓保護動作，造成車上檢測系統工作的錯誤，帶來不必要的損失。作為修正，增加2節蓄電池，同時適當提高充電機的充電電壓U。這樣，U=（1.45～1.55）×80=116～124，取較高的124V作為充電電壓。因此，每組蓄電池數量為80節，則蓄電池組電壓為：

蓄電池組額定電壓：1.125×80=90V

浮充電電壓：1.45×80=116V

放電終止電壓：1.05×80=84V

蓄電池組的浮充電電壓略小于輔助逆變器的充電機輸出電壓，這與充電系統的輸出電壓是匹配的。

蓄電池放電電流為：I=P/U=（22.776+0.54）/90=259.1A

根據地鐵車輛應急供電要求，T=45分鐘，即0.75h，這樣計算，C0=194.325Ah

在應急工況下，列車側門開/關一次，負載瞬時為17.6KW，開/關門一次時間最多T=10s，

蓄電池電壓取放電終止電壓84V，則開/關門一次實際需要消耗蓄電池的容量為：

在緊急工況下，列車受電弓升/降弓一次，升/降弓瞬間負載為P4=0.8kW，升弓一次使用時間最多為8s，降弓一次使用時間最多為7s，T=15s；蓄電池電壓取放電終止電壓84V，則在應急工況下，受電弓升/降一次實際需要消耗的蓄電池的容量為：

對于蓄電池實際所需容量Cj（單位：Ah），應考慮各種因素進行修正，其計算公式為：

式中：λ1-溫度修正系數，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；

因此，列車蓄電池總容量確定為333.205Ah。考慮到蓄電池容量要有10%冗余，列車一般選用兩組容量為180Ah的中倍率、免維護蓄電池，每蓄電池組含80節，作為應急直流電源。

4 確定蓄電池類型

4.1 酸性蓄電池和堿性蓄電池的性能比較

目前在鐵路機車、客車上普遍使用的蓄電池有2種：一種是閥控式密封鉛酸蓄電池，一種是少維護鎘鎳堿性蓄電池。與鐵路上傳統的富液式酸性蓄電池及鐵殼普通鎘鎳堿性蓄電池相比，它們都具有使用壽命長、少維護、不漏液、終身無需換液等優點，但其整體性能有所不同，見表2

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4.2 鎘鎳堿性蓄電池的優勢

由上表可以看出，要獲得同等電壓等級，鉛酸蓄電池所需總數量較少，因而占用較小的空間，但鎘鎳堿性蓄電池在快充能力、放電深度、使用壽命、低溫性能和可靠性方面具有更明顯的優勢。在地鐵車輛實際運營中，蓄電池組的可靠性尤為重要。

4.2.1 耐過充、過放電能力

輔助逆變器（帶充電機）對蓄電池的充電方式為恒壓限流式，鉛酸蓄電池允許的充電、放電電流較小（最高0.3C10A），長期以大電流反復充電會造成蓄電池的慢性損傷；鎘鎳堿性蓄電池則較能耐大電流充電（最高1C5A），同時比鉛酸蓄電池能耐大電流放電。車輛在檢修時極有可能造成蓄電池虧電，這將對鉛酸蓄電池造成極大的損害，而鎘鎳堿性蓄電池即使虧電至電壓為零也能恢復正常使用。

4.2.2 適應環境能力

鎘鎳堿性蓄電池的一個突出優點是低溫特性好，在-40℃的環境溫度下，電池容量僅減少40%～50%；而酸性蓄電池在-40℃的環境溫度下，蓄電池容量會減少到25%。某些鐵路局的軌檢車技術條件中明確要求整車使用環境為-40℃～50℃，因此從耐低溫性能考慮，宜選用堿性蓄電池。在耐高溫方面，2種蓄電池的差異有：由于2種蓄電池的化學原理不同，閥控式密封酸性蓄電池不能通過失水的方式散發熱量，在過充電時，充電電流和電池溫度發生一種累積性的增強作用，可能導致蓄電池熱失控，電池的外殼會起包、漏氣；鎘鎳堿性蓄電池不存在熱失控的現象。

4.2.3 帶故障運行能力

如果某節鉛酸蓄電池因熱失控而損壞，相當于這節蓄電池開路，這時整個蓄電池組相當于開路，會失去作用。如果某節蓄電池由于誤接或其他原因造成短路，由于電池組少了一節蓄電池，造成蓄電池組的其他蓄電池上的浮充電壓接近于最高限壓值（2.4V），而這些蓄電池的浮充電壓并不是完全相等，一旦某節蓄電池上的浮充電壓超過最高限壓值，這節蓄電池就會很快發生熱失控現象，如此將產生連鎖反應，損壞所有蓄電池。

由于鎘鎳堿性蓄電池不存在熱失控現象，因此一般不可能出現單節蓄電池開路的情況。如果某節蓄電池由于誤接或其他原因造成短路，相當于整個蓄電池組少了一節電池，由于堿性蓄電池的浮充電壓范圍較寬，因此對蓄電池沒有影響，而蓄電池組的電壓也只是下降1V～1.2V，仍然可以維持故障運行。

4.2.4 蓄電池壽命

循環試驗數據顯示，鎘鎳堿性蓄電池的循環壽命是閥控式密封鉛酸蓄電池的1.5倍～2倍。從以上幾方面綜合考慮，鎘鎳堿性蓄電池更為優越。同時，通過初步統計目前在運營的各地鐵項目，車輛配置堿性蓄電池的項目明顯比配置酸性蓄電池的項目多。

5 蓄電池的排布方式

從車輛廠實際生產的角度來說，車載蓄電池的排布方式也很重要，這直接影響著蓄電池箱的結構和安裝方式。考慮到蓄電池箱為車下吊掛安裝方式，蓄電池箱的可操作性，我們一般采用如下排布方式。

6 蓄電池特性曲線

蓄電池的充電方式對蓄電池壽命影響最大，通常，我們按照IU特性進行充電。

首先蓄電池充電器以最大的充電電流(1.5I5-2I5)對蓄電池進行恒流充電(恒流方式)，直到電壓達到U1。隨后蓄電池充電機以恒壓U1對蓄電池充電(電流值減小).當蓄電池充電機檢測到蓄電池溫度T>TA時，充電電壓限制值為U4，即充電終止電壓。

如果充電電流下降到0.2I5-0.8I5，充電機將從恒定的充電電壓U1轉換為恒定值U2持續充電，同時充電電流持續下降（限壓方式）。

如果蓄電池電壓過低，低于U3，蓄電池充電器將又回到第一步均衡充電。如果有蓄電池內的溫度傳感器導線松斷，充電機將繼續充電，以校準電壓為溫度為TA時的電壓值（浮充電方式）。

蓄電池在環境溫度25℃時的充放電曲線如下圖：

可以看出，以0.2C5即40A的電流放電，放電至終止電壓1.05V，放電深度可達90%。

結語

堿性蓄電池比酸性蓄電池具有更多的優勢，目前很多地鐵項目采用免維護鎘鎳堿性蓄電池，采用串并聯混合的連接方式，可以滿足地鐵車輛特殊應急要求。

[1]朱品才.閥控式密封鉛酸蓄電池的運行與維護[M].人民郵電出版社，2006.

[2]秦鳴峰.蓄電池的使用與維護[M].北京：化學工業出版社.2009.

[3]王慶召，劉東廣.深圳地鐵5號線車輛蓄電池的選型分析[J].電力機車與城軌車輛，2011（2）.

[4]IEC60623-2001，開口鎘鎳方形可充電單體電池[S].