標準動車組輔助應急電源系統

姜宇龍

（北京市石景山醫院，北京 100043）

隨著我國經濟發展和人口增長，城鎮化進程在不斷加快，交通擁堵正在迅速成為制約我國城市發展的重要問題之一。為了緩解交通擁堵，大力發展城市軌道交通正越來越受到人們的重視。近年來，國家大力倡導安全無污染的“綠色軌道交通”，非環保型的產品正在成為軌道交通綠色發展的阻力，也逐漸被環保型產品所替代。軌道交通車輛通常采用鉛酸和鎘鎳電池，這些電池存在環保標準低、壽命短、維護成本高等問題。而在電動汽車行業，大功率鋰電池已廣泛應用，進入了快速商業化的推廣階段。所以鋰電池技術在軌道交通行業應用已成為必然趨勢。

1 行業現狀

1.1 背景分析

地鐵、高鐵等軌道交通以運量大、速度快、安全、環保、節約能源和用地等特點，被認為是最綠色的交通方式。但是由于運量大，軌道交通盡管最綠色，能耗量也十分巨大。其中軌道交通車輛用輔助蓄電池一般為鉛酸和鎘鎳電池，而這些電池存在壽命短、不環保等特點。

1.2 標準動車組介紹

中國標準動車組是中國中車長客股份公司研制的中國新一代、具有自主知識產權的動力分散型高速動車組。它以標準化、系列化、模塊化和自主化為指導方針，以安全可靠、穩定舒適、經濟適用和節能環保為設計理念。中國標準動車組為8 輛編組、四動四拖，可在低溫、雨雪、風沙地區運行，最高運營速度為350km/h。編組圖如圖1 所示。

圖1 標準動車組編組圖

輔助供電系統主要包括輔助電源系統、電源分配系統、輔助用電設備。其主要任務是為列車內的各負載提供交流或直流電源，如空調、采暖、通風、照明、制動、牽引系統、冷卻風扇、控制單元等，保證列車安全運行，為旅客提供舒適的旅行環境。

1.3 供電要求

在切斷供電電源情況下，通過列車控制系統實現蓄電池供電時間限制和最低電壓限制。保證蓄電池在電壓極限范圍內，蓄電池組以供應急使用，應急通風至少應大于90 分鐘，其余應急用電至少應維持2 小時，包括應急照明、應急顯示、維修用電、通訊及其控制等。蓄電池組運行時在線充電。

在切斷車上電網供電情況下，三組電池（190AhX3）所帶負載功率表如表1 所示。

表1 負載功率表

要求在為車上負載提供2 小時緊急供電后，蓄電池還能夠保證車上所有負載啟動。同時,當蓄電池放電放到保護電壓值時（主接觸器斷開后），還可滿足18.5kW 負載繼續工作5 分鐘（保證受電弓正常升起3 次）。

2 系統詳細介紹

2.1 系統功能

應急輔助電源系統可為標準動車組提供應急輔助電源。當車輛在無接觸網或接觸網故障無法供電時，啟用輔助電源系統，可提供2 小時以上的輔助電源供電。

輔助電源系統電量以及供電時間可定制。電池采用鈦酸鋰電池，并配置了電池管理系統（BMS），BMS 能實時監控輔助電源系統狀態。蓄電池的溫度、電壓以及輔助電源系統的充放電電流、故障信息都能通過終端進行查看。應急輔助電源系統外形圖如圖2 所示。

圖2 應急輔助電源系統外形圖

2.2 系統安裝位置

a.電池箱吊掛在TC01 和TC08 車的底架上。

b.電池箱配置：2 臺/列。

c.2 臺電池箱配置相同。

2.3 容量計算

按照輔助應急供電需求，選定45 串鈦酸鋰電池組（額定電壓103.5V）,則得到每個階段的放電容量為：

a.所有負載

b.受限制負載1

c.受限制負載2

d.應急負載

電池容量總需求：

常溫狀態（25℃）剩余容量：

放電需求占電池總容量的百分比為：

在達到放電截止條件后（SOC≤30%），電池仍能保證所有負載啟動所需容量。

低溫狀態（-25℃）剩余容量：

電池在-25℃條件下，放電容量大于常溫放電容量的80%（190*4*80%=608Ah）

608-495.34=112.66Ah（2-8）

在2 小時緊急供電結束后，電池仍能保證至少兩次所有負載啟動所需容量。

綜上：考慮到電池在不同溫度下容量測試試驗都采用1C 倍率，而實際放電倍率遠小于1C，所以無論在常溫還是低溫環境中，鈦酸鋰電池均能滿足車輛使用需求。

3 系統組成

3.1 系統框圖

正常情況下，車載充電機輸出110V 直流電給直流輔助負載供電，并為蓄電池進行恒壓浮充電。車載充電機為2 路冗余設計。當接觸器網故障無法正常給直流輔助負載供電時，啟用應急輔助電源系統，用蓄電池給輔助負載供電。應急輔助電源系統為4 組190Ah 蓄電池并聯，考慮了冗余設計。車載充電機與應急輔助電源系統進行通訊，控制蓄電池的充電流程。應急輔助電源系統框圖如圖3 所示。

圖3 應急輔助電源系統系統框圖

3.2 應急輔助電源系統主要參數

表2 應急輔助電源系統參數表

4 鈦酸鋰電池情況

4.1 鈦酸鋰電池介紹

4.1.1 鈦酸鋰電池定義

負極采用鈦酸鋰材料（Li4Ti5O12）的鋰離子電池。

4.1.2 鋰離子電池分類

a.根據外型可以分為方形鋰電池和柱形鋰電池；

b.根據外包裝材料可以分為鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池和軟包鋰電池；

c.根據正極材料可以分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池；

d.根據負極材料可以分為鈦酸鋰電池和其他鋰電池（負極材料為石墨）。

4.2 單體電池技術參數

表3 單體電池技術參數表

4.3 單體電池性能曲線（圖4～6）

圖4 充放電曲線

圖5 溫度與放電容量曲線

4.4 電池管理系統功能

過充、過放、欠充、過熱、過流、短路保護與診斷；

單體蓄電池電壓檢測；

接觸器控制，接觸器狀態輔助觸點檢測；

歷史、故障數據存儲；

充電過程控制；

與充電機交互通訊；

圖6 OCV 與SOC 曲線

電池系統剩余電量（SOC）和放電深度（DOD）估算；

電池系統SOH 估算；

電池系統功率預測和控制；

故障報警及故障分級管理；

電池系統溫度檢測；

電池一致性評價和均衡控制；

電池系統電流檢測。

5 系統特點

電池管理系統采用主從一體式設計，通過對電池電壓和溫度信息的采集和計算，實時監控電池狀態，并控制整個電池系統的運行與退出。保障了電池使用的安全性，并延長了電池使用壽命。

輔助電源系統考慮了電池管理系統故障條件下的應急供電，輔助電源系統在電池管理系統故障條件下依然能夠提供應急供電，最大程度上保證了供電的不間斷性和應急性。

輔助電源系統考慮了蓄電池在饋電狀態下無法正常通過車載充電機充電的情況下，仍然能夠應急充電。輔助電源系統通過應急充電接口與地面充電機進行連接，最大程度上保證了輔助電源系統的可靠性。

可實現冗余控制：當一組輔助電源故障時，該組輔助電源退出運行，剩余三組電池保證車輛繼續運行。

6 結論

本文通過描述標準動車組輔助應急電源系統的功能，對比分析了鈦酸鋰電池與其他電池的優缺點，明顯能看出鈦酸鋰電池符合“綠色軌道交通”的要求。

標準動車組輔助應急電源系統配置了智能化的電池管理系統，能夠實時監控電池狀態，并通過通訊與車輛進行數據交互。電池管理系統能對電池系統故障信息能夠記錄、儲存。解決了之前的盲充盲放無任何管理的狀態。真正實現了蓄電池的智能化管理。所以結合整個標準動車組輔助應急系統的功能和產品特點來看，鈦酸鋰電池及其管理系統符合整個軌道交通行業的發展需求和現狀。從長遠角度看，鈦酸鋰電池在軌道交通行業的應用也具有一定的市場潛力。