鈦酸鋰電池在中速磁浮車輛上的選型及應用

曹 芬，楊 穎，高 鋒，杜志勇

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

中速磁浮列車采用“雙側電磁同步驅動+懸浮驅動一體化”方案，即在高速磁浮技術基礎上再創新，實現500 km時速向200 km時速下延[1]。中速磁浮列車車載設備由直流440 V電網供電。直流440 V蓄電池作為列車直流440 V車載電網的備用和緊急電源，其主要作用是調節和穩定440 V電網電壓，在應急情況下滿足車輛懸浮導向系統正常懸浮直到渦流制動緊急停車[2]。該蓄電池的應用特點決定了其應具有放電電流大、開路電壓高、體積小以及重量輕等特點。不同于普通的鋰電池，直流440 V蓄電池應選用低溫時仍能高倍率放電的動力型安全鋰電池。本文將重點研究中速磁浮列車直流440 V蓄電池的選型與應用。

1 直流440 V蓄電池的選型

1.1 直流440 V蓄電池負載

200 km/h中速磁浮車輛為4節編組，每節車有4套直流440 V電網，Mc車與M車的直流440 V電網貫通，每節車有兩組直流440 V蓄電池，配置結構如圖1所示。每套電網配置一組直流440 V蓄電池，主要負載有導向控制器、懸浮控制器、渦流制動控制器、空調以及其他負載，與多個充電機即升壓斬波器相匹配進行充放電。

圖1 直流440 V車載電網配置結構

1.2 中速磁浮車輛對直流440 V蓄電池的要求

中速磁浮車輛對直流440 V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，直流440 V蓄電池容量需在最不利情況下滿足列車應急用電需求，維持直流440 V電網供電15 min。最不利情況是指直流440 V電網故障，高速制動時為全功率渦流制動。經計算，直流440 V蓄電池最大持續放電電流為185 A左右，溫度使用范圍需在-25～+45 ℃，車輛用電量為16.25 kW·h，蓄電池使用壽命大于10年。

1.3 直流440 V蓄電池類型的確定

在直流440 V蓄電池的選型上，現階段動力型電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及鋰離子電池等幾種類型，性能比較如表1所示[3]。

表1 動力型電池性能比較

1.3.1 輕量化

中速磁浮車輛通過懸浮電磁鐵使車輛懸浮，但懸浮能力是有限度的，這個特點決定了車輛所有部件必須進行輕量化設計。由于鉛酸蓄電池、鎳氫電池以及鎳鎘電池的電壓偏低、比能量低、體積偏大，因此都不是很適合作為磁浮車輛用蓄電池[4]。而鋰離子電池具有電壓高和比能量高的特點，在輕量化方面更適合磁浮車輛。

1.3.2 低溫放電特性

中速磁浮車輛工作的氣溫條件是-25～+45 ℃，這個特點決定了蓄電池需具備相應的低溫放電能力[5]。根據表1中-20 ℃條件下蓄電池低溫放電的能力值，最佳選擇是鈦酸鋰電池[6]。

1.3.3 大電流放電特性

中速磁浮車輛渦流制動為全功率時，直流440 V蓄電池最大持續放電電流為185 A左右，這個特點要求蓄電池具有大的放電倍率，根據表1最佳選擇是鋰電池。基于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、工作溫度范圍寬以及免維護等優點，選擇鋰離子電池作為中速磁浮車輛用蓄電池，但必須考慮到軌道交通車輛最重要的一點就是安全性。

1.3.4 安全性

鋰離子二次電池依據正極材料的不同，主要分為鈷酸鋰、二元電池、三元電池、錳酸鋰、磷酸鐵鋰電池等體系。從材料結構來說，層狀結構的鈷酸鋰、二元電池、三元電池并不適合使用在軌道車輛上。在不同的正極材料中，磷酸鐵鋰電池是目前商用鋰電池中最安全的正極材料。但是仍然采用了可燃燒的有機電解液，因此如果電池設計或制造不良，當電池破裂且溫度高于電解液的閃點（Flash point）時，仍然會導致起火事故。

鋰離子電池的負極材料分為碳材與鈦酸鋰兩個系列。在安全性的問題上，鈦酸鋰的負極電位平臺約為1.55 V，比傳統石墨負極材料高出約1.5 V，雖然導致整個電池電壓平臺大幅下降，損失了約30%的能量密度，但也意味著在一般的充放電條件下不容易在鈦酸鋰表面析出鋰金屬，從而提高了電池的安全性。因此，在正常使用的狀況下，鈦酸鋰是鋰離子二次電池中最安全的負極材料[7]。負極是鈦酸鋰材料，正極是磷酸鐵鋰、錳酸鋰的鈦酸鋰電池比磷酸鐵鋰電池、鎳鈷錳三元鋰電池更安全。

綜上，考慮到磁浮車輛輕量化要求以及在車輛上使用的高低溫性能、充放電性能、安全性能等因素后，選擇鈦酸鋰電池[8]。

1.4 直流440 V蓄電池電壓及節數

鈦酸鋰蓄電池的單體電壓參數為標稱電壓2.3 V、放電截止電壓1.5 V、充電截止電壓2.7 V，標稱容量為20 Ah。常溫倍率放電曲線如圖2所示，常溫倍率充電曲線如圖3所示。

圖2 常溫倍率放電曲線

圖3 常溫倍率充電曲線

升壓斬波器對直流440 V蓄電池采用恒壓限流方式進行浮充電，其輸出額定電壓為490 V。設定直流440 V蓄電池單體的均衡電壓點為2.55 V，則其中所含單體電池個數為490V/2.55V=192.1節，取整后為192節，即直流440 V蓄電池組標稱電壓為U=2.3V×192=441.6 V。

直流440 V蓄電池采用的充電方式為先0.75C恒流充電，將蓄電池單體電壓充至2.55 V之后，充電機設置為恒壓充電，充電電流逐漸降低。中速磁浮車輛為保證充電時間短，充電機恒壓充電電壓設置為490 V。

1.5 直流440 V蓄電池容量

根據直流440 V電網功率分配計算，可得到各速度下的直流440 V的電網功率。選取直流440 V電網最大功率如表2所示（包含渦流制動）。一套直流440 V電網的最大功率為70.26 kW，考慮此時最低工作電壓為380 V，則電流為185 A。

表2 直流440 V電網最大功率

列車正常運行時，列車停止和速度小于約20 km/h時完全由外部供電系統供電；速度在約20～100 km/h運行時由外部供電系統與列車自帶的直線發電機聯合對車輛供電；在大于100 km/h速度行駛時完全由直線發電機供電。

工況一：列車在小于100 km/h時開始制動，渦流制動為全功率，有外部供電。則此電網蓄電池負載功率=電網負載功率-(直線發電機最大輸出功率+外部供電最大輸出功率)，最終得到曲線如圖4所示。蓄電池負載功率最大為26.625 kW。

圖4 小于100 km/h滿功率制動時的蓄電池負載功率

工況二：列車速度大于100 km/h時開始全功率渦流制動到停車，得到蓄電池的最大負載功率為28.588 kW，此時速度為20 km/h，對應曲線如圖5所示。

圖5 大于100 km/h滿功率制動時的蓄電池負載功率

綜合以上工況時蓄電池的負載功率，選擇每組蓄電池負載功率為30 kW。直流440 V電網無外部供電時，直流440 V蓄電池能維持電網15 min，即0.25 h。

蓄電池需提供理論電能為：

蓄電池容量的計算公式：

蓄電池的平均電壓U平按460 V計算，則蓄電池的理論容量為：

蓄電池-25 ℃以上低溫放電能力為1，充電效率η充為58%，大電流放電系數η放為0.77，壽命系數η壽為0.9，所需電池容量為：

式中：W理為理論電能，單位為Wh；W為電能，單位為Wh；P為功率，單位為W；t為時間，單位為h；C為容量，單位為Ah；C理為理論容量，單位為Ah；C實為實際容量，單位為Ah；I為電流，單位為A；U平為平均電壓，單位為V；U為電壓，單位為V。

根據以上數據和蓄電池容量計算公式，得到蓄電池容量為40.5 Ah。選擇容量為40 Ah的鈦酸鋰蓄電池組，最大瞬時放電電流大于200 A。

1.6 直流440 V蓄電池壽命估算

蓄電池循環壽命是指在常溫25 ℃、倍率為1C時充放電的全充全放循環壽命。實際蓄電池的使用溫度需在-25～+45 ℃波動，充放電時也會有大倍率充放電，各取壽命系數0.9，使用壽命大于等于10年。蓄電池使用時每天全充全放兩次，則蓄電池循環壽命要求≥（10年×365天/年）×2次/0.9/0.9≈9 012次。所選鈦酸鋰電池的循環壽命≥13 000次，完全滿足要求。

1.7 重量估算

直流440 V蓄電池安裝在中速磁浮車輛ASG機箱上層，一組直流440 V蓄電池由兩個蓄電池箱組成。每個蓄電池箱最大外形尺寸是1 050 mm×800 m×300 mm，箱體主體材料為2 mm厚的不銹鋼，框架和封板等為鋁板，箱體骨架重量應小于50 kg。

電池單體電芯個數為440 V/2.3 V≈191.3個，即取192個。單體容量為20 Ah，則采用2并192串的電池配置方案，其中分為8個電池模組，每個模組2并24串，分別遍布兩個箱體中。每個箱體擺放布4個模組，兩臺箱體采用串聯輸出方式，系統采用自然冷卻的方式進行散熱。每個電池單體電芯重0.515 kg，則每個模組中的單體電芯總重為0.515×24×2=24.72 kg。電池模組包括單體電芯、固定框架、電聯接裝置以及溫度傳感器、電壓檢測線路等，預估每個模組的重量為35 kg。

一箱蓄電池包括箱體骨架、模組、熔斷器、BMS模塊、直流110 V/直流24 V變換器和連接器等附件，預估一箱直流440 V蓄電池的重量小于200 kg。一組直流440 V蓄電池由兩個直流440 V蓄電池箱組成，則一組的總重量小于400 kg。

1.8 試驗項點及標準

目前，鈦酸鋰電池技術已經在國內外電動汽車領域大量應用，逐步廣泛試用于軌道交通領域，包括動車、城軌列車以及調車機車等多種車型。影響車輛安全的因素主要包括電池著火、冒煙等，主要原因包括析鋰、外部短路、內部短路以及過充?！峨妱悠囉脛恿π铍姵匕踩蠹霸囼灧椒ā罚℅B/T 31485-2015）、《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》（GB/T 31486-2015）分別規定了電動汽車用動力蓄電池的安全要求及試驗方法、性能要求及試驗方法。行業內，《軌道交通車載儲能系統測試方法 第1部分：動力電池系統》（Q/CRRC J 37.1—2019）規定了軌道交通車載儲能動力鋰離子電池包/系統的術語和定義、技術要求、檢驗方法、檢驗規則，該標準適用于裝載在軌道交通車輛上的動力鋰離子電池包/系統[9]。

參考以上標準，試驗項目主要包括外觀檢查、尺寸檢查、重量檢查、安全措施及安全設備檢查、電路接線檢查、開路電壓測量、絕緣電阻測定、室溫放電容量測量、低溫放電容量測量、高溫放電容量測量、倍率充放電測試、循環壽命試驗、振動沖擊試驗、過充電試驗、外部短路試驗、擠壓試驗、熱濫用（高溫烘烤）試驗、重物撞擊試驗、針刺試驗、電磁兼容試驗。測試結果均滿足要求，其中蓄電池組在（55±2）℃環境溫度下以1C恒流放電，實際放電容量＞36 Ah（額定容量的90%）。

1.9 裝車應用

實際裝車的直流440 V蓄電池箱外形如圖6所示。一個直流440 V蓄電池箱重量小于200 kg。采用滾輪方式推拉進ASG機箱，方便檢修和維護，背面采用盲插方式與車輛電氣線路相連。目前，蓄電池裝車后，車輛進行充放電試驗，試驗結果與圖2和圖3的充放電曲線吻合。

圖6 直流440 V蓄電池箱

2 結 論

本文基于中速磁浮列車的車載電網特點，分析了車輛對直流440 V蓄電池的需求。研究蓄電池匹配的類型、電壓、節數、容量等參數以及試驗項點，選擇了40 Ah容量的鈦酸鋰電池，并裝車考核驗證，初步證明所選的直流440 V蓄電池滿足中速磁浮列車的輕量化、高能量密度、高安全性要求。

中速磁浮車輛系統在世界范圍內的研究和應用尚屬空白，該車型蓄電池也是首次采用鈦酸鋰電池。目前，蓄電池裝車后在速度小于100 km/h情況下的工作狀態良好，現正對更高速度下車輛運行進行調試，中速磁浮車輛用鈦酸鋰電池也將在更高速度中得到檢驗。這將為鈦酸鋰電池在中速磁浮車輛上的工程應用進一步提供有力證明，為今后鈦酸鋰電池在中速磁浮車輛上的批量化應用提供信心。