電力蓄電池牽引車牽引蓄電池的選型設計

紀軍

摘要

文章對一種電力蓄電池牽引車選用牽引用鋰電池的類型、可維護性、容量、充放電性能等參數的確定進行了分析，并最終選用400Ah磷酸鐵鋰電池。

【關鍵詞】電力蓄電池牽引車（電力蓄電池工程車）統一名稱 類型 容量 充電 放電

電力蓄電池以清潔能源作為動力，使用壽命長達30年。全壽命周期比相同功率內燃工程車減少碳排放量約2000噸，運營成本節省人民幣約700萬元。DC1500V接觸網受流電力蓄電池牽引車采用雙電源供電系統，在接觸網斷電的情況下可以用蓄電池進行動力牽引。因此，作為牽引用的蓄電池選型需考慮對機車牽引特性的計算，對蓄電池的充、放電性能均需進行考慮。本文結合相應電力蓄電池牽引車的技術特點，對其牽引用蓄電池類型、容量及蓄電池的放電率等特性進行分析。

1 牽引車的工作原理

1.1 工作原理

牽引車原理圖如圖1所示。

1.1.1 接觸網供電

采用接觸網供電時，接觸器KM1閉合、KM2斷開、KM3閉合，牽引蓄電池處于充電狀態。采用牽引蓄電池供電時，接觸器1斷開、接觸器2閉合、接觸器3斷開，牽引蓄電池處于放電狀態。

接觸網供電的額定電壓為DC1500V，最高電壓DC1800V，最低電壓DC1000V，額定功率400kW。

1.1.2 蓄電池供電

牽引蓄電池供電時，電壓在DC600V～876V之間，電池組額定電量不小于300kWh。

2 蓄電池狀況

目前類似牽引車牽引蓄電池主要采用鉛酸蓄電池，其體積大、重量大、使用壽命短、對溫度敏感且易造成環境污染。電池是一種化學反應，每升高10度，電池壽命縮短一半，如在25度設計壽命為15年的電池，在35度的環境下運行壽命只有7.5年，在45度的運行環境下壽命只有3.75年，鉛酸蓄電池工作原理如下：

（1）極板：提供活性物質及導電作用;

（2）隔板：防止電池正負極短路及吸收電解液作用;

（3）電解液：提供離子導電通路。

鋰電池作為新型能源動力電池具有體積小、重量輕、使用壽命長、無記憶效應、免維護、無污染等特點。且相比傳統蓄電池，鋰電池可進行信息化管理，實現電池系統的狀態和信息化管理。表1是同類型鉛酸蓄電池和鋰電池的對比。

考慮以上因素，且鋰電池作為新型能源動力逐漸成為發展趨勢，選取磷酸鐵鋰電池作為牽引車牽引蓄電池。

2 對牽引蓄電池的要求

電力蓄電池牽引車輔助負載容量按30kw核算，整個電池組容量為330kWh，推薦電池使用區間為10%～90%，即可用容量為330×0.8=264kWh

工況1：牽引車在蓄電池供電時牽引1輛45噸的車輛，在4006o坡道上運行。

（1）從0加速到14km/h的加速時間為7s，牽引蓄電池輸出功率為275kW，此階段所需電量為W1=PT=（275+30）×7/3600=0.593kWh

（2）從14km/h加速運行到20km/h的加速時間為4s，牽引蓄電池輸出功率為379kW，此階段所需電量為W2=PT=（379+30）×4/3600=0.454kWh

（3）以20km/h的速度運行10min，牽引蓄電池輸出功率為278kW，此階段所需電量為W3=PT=（278+30）×600/3600=51.333kWh

（4）前三個階段所需電量總和為W=W1+W2+W3=52.38kWh，電池組剩余電量為W0=264-52.38=211.62kWh。以30km/h的速度輸出功率42kW，輔助負載功率30kW，1小時耗電量為42+30=72kWh，則將電池組電量耗完所需時間T4=211.62/72=2.94h。

電力蓄電池工程車續航約3小時。

工況2：蓄電池達到壽命周期即將更換時，在蓄電池供電時牽引1輛45噸的車輛，在平直軌道上運行

蓄電池達到壽命周期即將更換時，剩余容量為最初容量的80%，此時，電量剩余為264×80%=211.2kWh，以30km/h的速度輸出功率42kW，外加輔助負載30kW，1小時耗電量為42+30=72kWh，則將壽命即將到期的電池組電量耗完所需時間T4+=211.2/72=2.93h。

工況3：低壓報警時，牽引1輛45噸車輛，在10‰坡道上以20km/h行駛鋰電池理論上可以將電量完全釋放出來，且對電池壽命和性能無影響，此處以設定電池電量為20%時報警為例，報警時剩余電量為264×20%=52.8kWh，輸出功率42kw，在10‰坡道上以20km/h速度行駛，加上輔助負載30kW的情況下，每小時耗電為42+30=72kWh，則將電池組電量耗完時間T4-=52.8/72=0.73h，約44min。

3 磷酸鐵鋰電池的充、放電性能

3.1 充電性能

根據電力蓄電池車的實際使用需求，且突出鋰電池的充電優勢，采用快速充電方案，磷酸鐵鋰電池先以恒流80A電流進行充電，充電至852V時轉為恒壓充電，以恒壓852V充電至電流下限≤21.6A時結束充電，在整個充電過程中如果某個單體電池電壓≥3.65V則充電結束。整個充電時間大約6小時。充電曲線如圖2所示。

3.2 放電性能

鋰電池較傳統的鉛酸蓄電池相比放電倍率特性更好，在有效放電區間范圍內電壓變化小。不同廠家、不同型號的鋰電池放電性能不盡相同，但大體走向曲線趨同，如圖3所示。放電深度均超過90%。

4 磷酸鐵鋰電池的管理，增加維護

相應的管理系統可以完成單體電池電壓檢測、溫度檢測、總電流檢測、系統的極限保護;同時對相應的電路板電路單元進行硬件故障診斷，執行相關的控制指令;負責對檢測的數據進行實時處理，匹配硬件完成信號采集、解析和處理。同時可配備單獨的顯示單元用于信息顯示，或使用網絡通信進行數據通信。此管理單元的使用，方便蓄電池的檢修、維護操作等。

5 結論

本文淺析了一種使用在電力蓄電池牽引車上的新能源牽引蓄電池——磷酸鐵鋰電池，對選用條件、容量、充電和放電等相應能力進行了闡述，并最終選擇了400Ah磷酸鐵鋰電池。采用相應的鋰電池除以上簡述外，其在使用溫度范圍寬、管理系統更智能化等方面的優點不在贅述。

參考文獻

[1]TB/T 1407-1988，列車牽引計算規程[S].

[2]杜玉峰，王曉勇.新加坡電力蓄電池雙能源工程車牽引蓄電池的選型設計[J].電力機車與城軌車輛，2011（05）：28-30.

[3]杜玉峰，劉偉.地鐵電動工程車牽引蓄電池參數的確定[J].電力機車與城軌車輛，2004（07）：36-37，69.