鋰離子電池中低速磁浮車輛上的應用

程　維,曹　芬（南車株洲電力機車有限公司　磁浮系統研究所,湖南　株洲　412001）

鋰離子電池中低速磁浮車輛上的應用

程維,曹芬
（南車株洲電力機車有限公司磁浮系統研究所,湖南株洲412001）

文章主要介紹中低速磁浮車輛懸浮蓄電池的類型選型，并對懸浮蓄電池的電壓、節數、容量的確定進行了分析。

中低速磁浮車輛；懸浮；蓄電池

1　概述

地鐵車輛蓄電池在地鐵車輛運行過程中起著很重要的作用,它不僅為列車各子系統提供DCllOV的控制電源,同時在緊急情況下可作為列車實施緊急通風和緊急照明的電源。軌道車輛蓄電池一般選用鉛酸蓄電池或鎳鎘蓄電池。相較地鐵車輛中低速磁浮車輛除控制蓄電池外，懸浮供電系統還配有一套懸浮蓄電池，作用是短時間補償330V電源的能量及調節和穩定330V母線電壓，且當車輛懸浮電源失效時作為懸浮系統的后備電源使用。這些特點決定了懸浮蓄電池應選用高倍率的動力型蓄電池。

2　懸浮供電系統及懸浮蓄電池的選型

2.1懸浮供電系統

中低速磁浮車輛每節車設置一臺330V懸浮電源(DC/DC變流器）及一組330V蓄電池箱，DC330V電網貫通全車提供330V電能給懸浮控制器。懸浮電源兼作330V蓄電池充電器。

2.2懸浮系統對懸浮蓄電池的要求

懸浮系統對懸浮蓄電池的要求包括充、放電性能要求及蓄電池使用壽命、可維護性、安裝體積、重量等要求。其中，充電時間不大于2h，放電時間在10min左右，而放電電流的大小需根據車輛懸浮輸出功率進行計算得出。經計算，當車輛在懸浮蓄電池供電時，車輛懸浮系統持續輸出功率P最大約在100kW左右，蓄電池的輸出電流大約在100～130A左右。蓄電池組電壓U=300V左右為最佳。

懸浮蓄電池的應用特點決定懸浮蓄電池應具有放電電流大，開路電壓高，體積小、重量輕等特點。

2.3懸浮蓄電池類型的確定

在懸浮蓄電池的選型上,現階段動力型電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等幾種類型。但由于鉛酸蓄電池大電流放電性能差、鎳氫、鎳鎘電池其電壓偏低、比能量低、體積偏大都不是很適合作為磁浮車輛懸浮蓄電池。而鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應、無污染、快速充放電、自放電率低、工作溫度范圍寬、免維護和安全可靠等優點。能夠滿足在中低速磁浮車輛放電電流大，開路電壓高，體積小、重量輕等要求。

從表1中可以看出，同樣一組的280V/40Ah電池組，鋰電池與鎳鎘、鉛酸電池相比，重量將減輕50-70%。體積減少30-50%。串聯節數少了約2/3，使可靠性極大提高。使用壽命增加2倍，充放電性能、高低溫性能、維護性能及自放電性能同樣會大大提高。綜合考慮在車輛上使用的安全性、比能量、使用壽命、使用溫度等因素后。發現LiFePO具有較高的比能量以及良好的安全性，并且是最適合在車輛上使用的鋰離子電池正極材料。因此，對于磁浮車輛而言，鐵鋰蓄電池作為懸浮后備電源是更好的選擇。

2.4330V蓄電池電壓及節數

確定了蓄電池類型后，相應蓄電池的單體電壓也確定了，磷酸鐵鋰蓄電池的單體電壓參數如下：

標稱電壓：3.2V；

表1　280V/40Ah磷酸鐵鋰電池與鎳鎘、鉛酸電池性能比較

放電截止電壓：2.3V；

充電截止電壓：3.65V。

還需要確定蓄電池組的電壓(即蓄電池單體數量)。蓄電池組電壓的選取可按以下要求進行分析：

（1）與充電電源輸出電壓相匹配：懸浮電源對蓄電池組采用恒壓限流方式進行浮充電。因此，懸浮蓄電池組的總電壓應稍小于懸浮電源的設定電壓338V，設定蓄電池單體的均衡電壓點為3.50V，則蓄電池組所含單體電池個數338/3.50=96.57節，取96節。

（2）充電性能要求：330V蓄電池采用圖1的充電曲線。

圖1中，0～t0階段為恒流充電階段，充電電流Id一般設置為(0.5-0.8)C，將蓄電池單體電壓充至3.45V之后，充電機設置為恒壓充電，充電電流逐漸降低。中低速磁浮車輛為保證充電時間短，恒流充電電流Id設置在0.8C。

綜合上述要求，可選取單體蓄電池個數為96節，即蓄電池組標稱電壓為U=3.2×96=307V。

3.5330V蓄電池容量

確定蓄電池組的電壓U后，根據車輛發揮出的懸浮功率P及車輛故障運營要求，即可求得懸浮蓄電池的容量C。

根據磁浮車輛試驗結果見表2，懸浮功率可按每噸消耗1.1kW計算。

表2　懸浮功率與車輛重量關系

則載荷總重量為99t的列車持續懸浮功率P=108.9kW。根據這個懸浮功率結合線路對車輛懸浮能力的要求可計算出懸浮蓄電池的容量。假定某線路對車輛懸浮能力的要求為當一臺DC330V懸浮電源故障時，330V蓄電池緊急供電能夠維持36min（0.3h）。則蓄電池放電電流為I=128.1A。列車需要消耗的蓄電池的容量為C1=76.66Ah。考慮蓄電池充電效率系數0.95，蓄電池溫度系數0.9，蓄電池老化系數0.8，緊急負載下大電流放電倍率系數0.85。蓄電池的容量C=C1/0.95/0.9/0.8/0.85=131Ah

事實上，隨著放電時間的增加，蓄電池容量減小，蓄電池組的電壓也在降低。計算過程中也未考慮車輛起浮和過彎道消耗的能量。這樣，上面的計算結果就成為不精確的計算結果。因此，在計算時可選擇1．05倍設計裕量，即C=137.55Ah。可在每節車配置一組46Ah，三節車總容量138Ah的蓄電池組。

4　小結

磁浮車輛在國內還沒有成熟的應用業績，懸浮蓄電池的設計選型也需在實際運行中得到檢驗,同時也將在實際運行中尋求更合理,更安全的控制方法。