地鐵車輛蓄電池的設(shè)計(jì)

楊一步　張樹穎　王海娜

摘 要：本文根據(jù)蓄電池在地鐵車輛上的供電要求和選用原則，對(duì)地鐵車輛常用的兩種蓄電池進(jìn)行性能對(duì)比，確定了蓄電池類型。通過對(duì)地鐵車輛所有的緊急負(fù)載功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出蓄電池需要提供的總?cè)萘浚_定蓄電池的型號(hào)和容量，為地鐵車輛蓄電池的選型設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：蓄電池；負(fù)載功率；選型；容量計(jì)算

中圖分類號(hào)：U270.381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0054-02

1 概述

蓄電池是地鐵車輛輔助系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它主要在列車系統(tǒng)故障情況下為緊急通風(fēng)、應(yīng)急照明、門控和門驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等提供DC110V應(yīng)急備用電源。應(yīng)急電源在車輛故障時(shí)有著重大的影響，因此，蓄電池的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

蓄電池的可靠運(yùn)行是車輛的安全保障，因此，合理選擇蓄電池的種類、容量和參數(shù)對(duì)保證城軌車輛和乘客的安全極其重要。本文從蓄電池類型、使用環(huán)境、重量、體積、容量計(jì)算等方面介紹了地鐵車輛蓄電池選型方法。

2 蓄電池技術(shù)要求

蓄電池作為地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的重要組成部分，主要為列車激活和緊急負(fù)載供電。在選型時(shí)，首先應(yīng)計(jì)算地鐵車輛緊急負(fù)載功率，然后根據(jù)該功率的大小、地鐵車輛的運(yùn)用條件、電池的性能參數(shù)等條件計(jì)算蓄電池的容量。

地鐵車輛蓄電池的選型一般遵從以下步驟：

（1）計(jì)算緊急情況下直流負(fù)載的總功率；（2）根據(jù)列車運(yùn)行的環(huán)境條件，確定蓄電池種類；（3）考慮蓄電池的溫度補(bǔ)償系數(shù)、老化效率和充電效率，計(jì)算所選蓄電池的實(shí)際所需容量；（4）根據(jù)以上內(nèi)容及蓄電池容量冗余設(shè)計(jì)，最終確定出蓄電池容量和蓄電池型號(hào)。

2.1 環(huán)境要求

在蓄電池組的選型和設(shè)計(jì)中，要充分考慮蓄電池對(duì)車輛運(yùn)用環(huán)境的適應(yīng)性，考慮蓄電池的可維護(hù)性、環(huán)境保護(hù)、人身安全防護(hù)性能，考慮蓄電池是否滿足地鐵車輛對(duì)體積和質(zhì)量的要求等因素。

地鐵車輛的運(yùn)行環(huán)境條件如下：

環(huán)境溫度：-10℃～+55℃，完全太陽輻射

相對(duì)濕度：夏天，45%；冬天，85%（含鹽海水）

環(huán)境：多塵

降雨：24小時(shí)內(nèi)200毫米

降雪：24小時(shí)內(nèi)20毫米

最大風(fēng)速：120公里/小時(shí)（等候時(shí)）

最大海拔高度：300m

氣候條件：夏天炎熱，冬天溫和潮濕

2.2 緊急負(fù)載要求

緊急負(fù)載是地鐵車輛在運(yùn)營(yíng)過程中最大的110V直流負(fù)載，緊急狀態(tài)下完全由蓄電池供電。當(dāng)無網(wǎng)壓時(shí)，蓄電池在80%全充電狀態(tài)下為客室應(yīng)急照明、司機(jī)室照明、前照燈、緊急通風(fēng)、廣播、車門控制、列車控制等應(yīng)急負(fù)載供電至少90分鐘，包括前5分鐘的完全照明，并保證列車開關(guān)一次車門。本項(xiàng)目除單獨(dú)計(jì)算的負(fù)載外，車輛緊急狀態(tài)下，DC110V直流負(fù)載總計(jì)為：P=11.87kW。

3 蓄電池選型設(shè)計(jì)

3.1 蓄電池類型確定

目前國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目中，蓄電池形式基本有兩種，鎘鎳堿性電池和鉛酸電池。兩種蓄電池近年來在性能上均有很大改進(jìn)，兩種少維護(hù)型蓄電池均在城軌地鐵領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

在地鐵車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，蓄電池組的可靠性尤為重要。兩種蓄電池的性能特點(diǎn)，具體如表1所示。

由上表可以看出，鉛酸蓄電池價(jià)格低，無記憶效應(yīng)，但是鎳鎘堿性蓄電池在快充能力、放電深度、使用壽命、低溫性能、耐過充過放電能力和可靠性方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在相同容量下，相對(duì)鉛酸蓄電池，鎳鎘蓄電池體積小，重量輕。

根據(jù)該項(xiàng)目對(duì)蓄電池的工作環(huán)境溫度、重量、壽命的要求，采用鎳鎘蓄電池較合適，該項(xiàng)目電池類型確定為鎳鎘堿性蓄電池。

3.2 蓄電池容量計(jì)算

列車蓄電池在80%容量條件下供電不低于90min，單體放電截止電壓不低于1.05V/只，根據(jù)該要求和蓄電池的特性計(jì)算蓄電池的容量如下：

蓄電池單體標(biāo)稱電壓V=1.2V

蓄電池單體浮充電壓V=1.5V

蓄電池的只數(shù)：80只

其浮充電電壓為1.5×80=120V。

（1）列車要求蓄電池供電90min的負(fù)載功率為11.87kW。

蓄電池組的平均放電電流=功率/蓄電池組的平均放電電壓=11.87×1000/[80×（1.05+1.2）/2]V≈131.88A。

蓄電池在80%容量狀態(tài)下供電90min，需要的凈容量C1=131.88×（90/60）/0.8≈247.3Ah。

（2）開關(guān)門一次6.4kW，約6s。

蓄電池組的平均放電電流=功率/蓄電池組的平均放電電壓=6.4×1000/[80×（1.05+1.2）/2]V≈71.1A。

需要的凈容量C2=71.1×6/3600≈0.12Ah。

（3）客室正常照明3kW，5min。

蓄電池組的平均放電電流=功率/蓄電池組的平均放電電壓=3×1000/[80×（1.05+1.2）/2]V≈33.3A。

需要的凈容量C3=33.3×5/60≈2.8Ah。

考慮浮充充電效率、低溫下的放電效率及使用壽命、老化系數(shù)等影響因素，蓄電池實(shí)際容量為：

蓄電池容量C=C0÷Kt÷η÷a=（247.3+0.12+2.8）÷0.9÷0.9÷0.9≈343.24Ah

C0——不考慮任何影響系數(shù)下的蓄電池凈容量；

Kt——蓄電池在-10℃溫度下放電的容量修正系數(shù)，0.9；

η——蓄電池的充電效率，0.9；

a——蓄電池老化修正系數(shù)，0.9。

每列車配2套DC110V鎘鎳蓄電池組，每組蓄電池組容量為343.24÷2=171.62Ah。由以上計(jì)算結(jié)果，該項(xiàng)目用每套DC110V蓄電池組的額定容量為180Ah的鎳鎘蓄電池組，裕量為5%，每列車配置2組蓄電池，每組80只。

4 結(jié)語

文中簡(jiǎn)述了地鐵車輛蓄電池的作用，并以實(shí)際地鐵項(xiàng)目車輛蓄電池選型為例，根據(jù)列車運(yùn)行環(huán)境、緊急負(fù)載等主要因素對(duì)蓄電池參數(shù)選型的步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并選取了合適的蓄電池型號(hào)，為地鐵車輛蓄電池的設(shè)計(jì)提供參考。此方法可為城軌地鐵車輛蓄電池選型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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