鈦酸鋰電池在高速磁浮列車上的應用分析*

鄧桂美，陳 星，韓偉濤，王芹鳳

1 概述

目前美國、日本、德國和中國等國家都在研究高速磁浮列車，以滿足人們更快的長距離出行需求[1-3]。我國高速磁浮列車的最高試驗運行速度達到503km/h，最高實際運營時速達到430km/h。隨著時間的推移和技術創新研發，將會出現600km/h以上的更高速磁浮列車。那么，高速磁浮列車必然將會成為長距離運行的主要交通工具之一。然而，高速磁懸浮列車的長距離運行必然會面臨新的技術問題。在長距離運行線路上，為實現列車任一地點啟動和停車等運行工況，需要列車配備性能更高的電池，解決車載供電問題。

2 工作環境

高速磁浮列車起浮、運行和停車等正常運行都需要通過車載供電系統對其車輛負載供電來完成。圖1為車載供電系統的組成架構示意圖。

圖1 高速磁浮列車載供電系統架構示意圖

圖2 某型號堿性電池電芯（-20℃）不同放電倍率曲線

高速磁浮列車在起浮運行時，需要地面或車載電源為其提供大電流供電，以便于列車完成啟動所需要的能量；在停車時，需要地面或車載電源為其提供制動用的安全電源。如果僅采用地面電源方式為列車供電，需要在全線路磁浮軌道鋪設相對較大功率的接觸式供電軌或非接觸器供電線圈。由于高速磁浮列車高速運行時，列車上的負載可以通過直線發電機進行非接觸式供電，因此，在列車高速運行時無需地面供電電源等設備。這樣無疑極大增加高速磁浮軌道投資成本、維護成本和供電成本；全線鋪設的地面供電電源及供電軌道（或供電線圈）等設備的使用效率也非常低。那么，列車安裝車載電源成為一種必然選擇。這樣，不僅滿足列車安全供電需求，而且也極大減少了地面電源裝置和供電軌（或供電線圈）的鋪設長度。

3 現狀分析

目前可以作為高速磁浮列車車載儲能系統的電源，主要有二次電池（如:堿性電池，鋰電池等）和燃料電池（如:氫燃料電池、鋁空燃料電池等）兩種類型電源裝置。

可用作車載電源的電池有二次電池（如:堿性電池，鋰電池等）和燃料電池（如:氫燃料電池、鋁空燃料電池等）兩種類型電源裝置。燃料電池是消耗類型電池，無疑給車輛的維護和使用帶來諸多不便，同時，燃料電池還增加了列車使用成本或安全等問題。這樣，二次電池便成為車載電源的理想選擇。

目前高速磁浮列車一般采用堿性電池作為車載電源。堿性電池的自身特性導致作為車載電源需要解決以上幾點不利因素:

3.1 電池記憶效應

磁浮列車正常運行時，僅在列車起浮、加速運行和制動停車時需要蓄電池供電；列車在其他運行工況時基本上不需要蓄電池供電，僅需要對車載電網供電起到緩沖作用。可見，車輛在使用電池時經常存在淺充淺放的運行工況。然而，長期淺充淺放會導致堿性電池產生記憶效應，進而導致堿性電池放不出足夠電量，因此，需要在堿性電池供電回路上單獨設置充滿電控制回路。不過，這樣并不能完全消除堿性電池長期使用存在的記憶效應。因此，為保證車輛具有充足的可靠用電量，需要配置盡可能大容量電池，這樣無疑增加安裝空間和設備重量，不利于車輛輕量化設計。同時，需要定期拆除堿性電池，對其返廠進行地面維護，來消除堿性電池的記憶效應。

3.2 低溫放電性能差

堿性電池電芯可用放電電壓一般在1.05V-1.35V之間（標稱電壓1.2V），在低溫條件（-20℃）上，瞬時以放電電流4C時上拉電壓至1V左右，基本上不能夠放電使用。有關某型號堿性電池電芯在-20℃不同倍率放電曲線，如圖2所示。所以，在天氣寒冷條件上，高速磁浮列車起浮等工況使用堿性電池以大電流進行放電基本不可行。因此，使用堿性電池作為車載電源時，最簡化設計需要對其單獨設置加熱回路。

3.3 非密封式電池電芯

由于堿性電池自身消耗電解液特性，因此，單體電池設置了注液口，需要將其電解液保持在最低液面和最高液面之間，如圖3模型堿性電池電芯。這樣，高速磁浮列車使用堿性電池作為車載電源時，需要定期將其拆卸上來進行地面注液維護。

圖3 某型號堿性電池電芯液面位置

3.4 設置檢測裝置

考慮到堿性電池應用條件限制，需要在堿性電池外部設置電壓、電流檢測裝置，來實現堿性電池可用電量檢測。此外，為防止堿性電池因電解液耗干等工況引起的異常故障，在電池箱體內部設置溫度檢測開關，以便于外部預警裝置及時報出故障處理信息。

3.5 設置通風系統

由于高速磁浮列車車載電源具有動力電源和輔助電源雙重特性，因此堿性電池需要在外部設置控制回路和通風系統以防止電池過熱、微量氫氣產生等不利因素。

通過以上分析說明，可以看出使用堿性電池作為車載電源不僅增加了設備重量、安裝空間、控制回路、加熱回路和檢測裝置等，而且也增加了電池地面注液和返廠激活等維護工作。

4 鈦酸鋰電池優勢分析

鋰電池目前主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池。由于軌道交通行業對安全性要求較高，一般推薦使用安全性能相對最高的鈦酸鋰電池[4]。上面對鈦酸鋰電池相對于堿性電池作為高速磁浮列車車載電源的優勢進行簡單分析。

4.1 無記憶效應

與堿性電池相比，鈦酸鋰電池對其充放電沒有記憶效應，因此，對于電池的淺充淺放等使用工況沒有限制。這樣，使用鋰電池作為車載電源無需單獨設置控制回路和定期返廠激活維護工作。同時，在保證列車可用電量條件上，可以使用容量相對較小的鋰電池進行設計。通過電池容量計算，高速磁浮列車使用鋰電池的安裝空間和重量均比使用堿性電池要減少50%。

4.2 低溫放電性能相對校好

鈦酸鋰電池電芯可用放電電壓一般在1.5V-2.7V之間（標稱電壓2.3V），在低溫條件（-20℃）上，瞬間以放電電流4C時上拉電壓至2.25V左右。有關某型號鈦酸鋰電池電芯在-20℃不同倍率放電曲線，如圖4所示。所以，在天氣寒冷條件上，高速磁浮列車起浮等工況使用鈦酸鋰電池電芯以大電流進行放電可行。至于使用鈦酸鋰電池電芯作為車載電源，根據列車使用工況判斷是否為鋰電池設置加熱回路。

4.3 密封式電池電芯

與堿性電池相比，鈦酸鋰電池不會消耗電解液，也就無需定期地面注液維護工作。

4.4 內設控制系統

圖4 某型號鈦酸鋰電池電芯不同溫度不同放電倍率曲線及溫升曲線

由于鈦酸鋰電池采用密封式電池電芯，因此在電池箱體內部便可以設置電池管理系統（BMS）、接觸器、電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器等電氣器件，無需設置外圍電路等。

4.5 通風系統

鈦酸鋰電池箱體內部設置電池管理系統（BMS），可以單獨控制通風系統。此外，鈦酸鋰電池相對于堿性電池的發熱效率很低，所以是否需要設置通風系統還要根據列車使用工況進行確定。

5 結論

通過以上分析說明，相對于堿性電池，鋰電池作為高速磁浮列車車載電源不僅沒有記憶效應、低溫性能好、可用電量大等，而且占用安裝空間小、重量輕、無返廠激活和地面注液等優勢。所以，將鋰電池作為高速磁浮列車的車載電源不失為一種較為理想的選擇。這樣，有效解決高速磁懸浮列車在長距離運行時的任一地點啟動和停車的供電技術問題。