HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池成組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

孟玉發(fā)，高曉芳，葉頂康

（中車資陽機車有限公司 研發(fā)部，四川資陽641301）

HXN6型混合動力調(diào)車機車，是中車資陽機車有限公司（簡稱中車資陽公司）于2013年與中國鐵路總公司簽訂科技研究開發(fā)計劃課題合同《2000-2500 kW混合動力機車研制及雙燃料機車技術(shù)方案研究》，進行研制的2200 kW混合動力交流傳動調(diào)車機車，采用外走廊、底架承載式車體，C0-C0軸式，柴油機裝車功率1250 kW，動力電池裝車容量1500 kW?h，機車最大運行速度為100 km/h的交流傳動重度混合動力調(diào)車機車。

HXN6型0001號機車型式試驗、運用考核和解體檢查數(shù)據(jù)表明，各項技術(shù)指標滿足機車技術(shù)條件要求。但是隨著對混合動力機車安全性的深入研究，發(fā)現(xiàn)HXN6型機車動力電池成組結(jié)構(gòu)存在電池能量過于集中，無能量分割和物理分割，安全防護不太完善等，必須對該車電池成組結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 動力電池成組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則

1.1 電池系統(tǒng)能量分割安全性優(yōu)化設(shè)計原則

（1）對動力電池回路應(yīng)進行能量分割，宜采用多支路動力電池獨立回路。

（2）動力電池系統(tǒng)主電路設(shè)計，要著重考慮電池系統(tǒng)安全性，外電路短路保護應(yīng)針對各級母線分級設(shè)置。

（3）每一個支路應(yīng)設(shè)置過流接觸器、熔斷器類保護器件，保護器件嚴格按照回路短路電流和反時限動力特性進行匹配。

1.2 動力電池系統(tǒng)物理分割安全性優(yōu)化設(shè)計原則

（1）動力電池系統(tǒng)應(yīng)按能量進行分組隔離，宜采用多組相互物理隔離（鋼結(jié)構(gòu)阻斷），形成相互獨立的電池倉。

（2）動力電池倉在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有防火、阻熱設(shè)計，填充和密封采用阻燃隔熱材料。

（3）動力電池倉在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采取整個隔間的密封，防止水、沙、油污侵入導(dǎo)致絕緣性能下降。

（4）動力電池倉應(yīng)設(shè)置防爆、泄壓等結(jié)構(gòu)，滿足電池安全泄爆要求，泄爆方向應(yīng)遠離人工操作區(qū)和危險源，保證人員安全，防止次生災(zāi)害。

2 動力電池成組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 動力電池系統(tǒng)能量分割設(shè)計方案

HXN6型混合動力調(diào)車機車原動力電池系統(tǒng)主電路采用一個回路，裝車電量為1500 kW?h。一是動力電池能量過于集中，動力電池系統(tǒng)主電路工作電流大，需要2個接觸器主觸頭并聯(lián)使用，同時需要2個熔斷器并聯(lián)進行保護，如果動力電池系統(tǒng)輸出電路發(fā)生短路故障時，則流過動力電池回路的短路電池太大，主回路接觸器進行斷開保護時，由于主觸頭動作不會同步，這樣就會造成主回路接觸器主觸頭燒損，同時由于并聯(lián)的熔斷器參數(shù)有差異，因此該熔斷器在進行保護時有可能造成先動作的熔斷器炸裂；二是如果有某1個動力電池包有故障，則會切斷整個動力電池系統(tǒng)，導(dǎo)致機車動力電池不能提供動能，優(yōu)化前HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)主回路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前動力電池系統(tǒng)主回路拓撲結(jié)構(gòu)

因此，必須對HXN6型混合動力調(diào)車機車原動力電池系統(tǒng)進行能量分割，使該車動力電池系統(tǒng)不會因為某一動力電池包內(nèi)某一電池單體出現(xiàn)故障而切除整個動力電池系統(tǒng)，不僅使機車功率損失一半，而且把機車變成純柴油發(fā)電機組提供動力，失去了節(jié)能環(huán)保的性能。

由于HXN6型混合動力調(diào)車機車牽引電機是軸控的，牽引變流器中有6個逆變模塊，每個逆變模塊中有1個斬波橋臂，是用來與制動電阻或高壓斬波電阻相連，用其控制電阻制動功率或中間直流回路高壓保護。而HXN6型混合動力調(diào)車機車有1200 kW的制動電阻裝置，需要2個逆變模塊中的斬波橋臂，因此只剩下4個逆變模塊中的斬波橋臂，所以對動力電池系統(tǒng)進行能量分割成4組或8組，即4支路或8支路通過4個逆變模塊中的斬波橋臂與牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)并聯(lián)是最佳的。

如果分成8組即8支路，則必須每2組并聯(lián)后再與1個斬波橋臂相連，這樣在動力電池投入的過程中控制非常復(fù)雜，而且在實現(xiàn)物理分割時結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個電池系統(tǒng)體積大，在目前機車質(zhì)量、體積限制下無法實現(xiàn)工程化。

如果分成4組即4支路，則每組與1個斬波橋臂相連，每組可以實現(xiàn)獨立控制充、放電，在4組分別投入到牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)的控制時，無論4組電池的電壓是否相同，均可實現(xiàn)4組同時投入而不會產(chǎn)生環(huán)流，機車控制相對簡單。

因此，HXN6型混合動力調(diào)車機車把動力電池系統(tǒng)能量分割成4組，即4條支路分別與牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)相連，動力電池系統(tǒng)主回路拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化后如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后動力電池系統(tǒng)主回路拓撲結(jié)構(gòu)

HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)能量分割前后對比見表1。

表1 HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)能量分割前后對比

2.2 動力電池系統(tǒng)主回路設(shè)備選型的優(yōu)化

由于磷酸鐵鋰動力電池內(nèi)阻特別小，當動力電池系統(tǒng)外電路短路時，流經(jīng)動力電池的短路沖擊電流在20C～30C范圍內(nèi)變化，如果不能及時切斷，則持續(xù)短路電流讓動力電池包內(nèi)電芯溫度急劇升高，引起動力電池熱失控。

磷酸鐵鋰動力電池單體電芯短路試驗數(shù)據(jù)表明：方案選用的動力電池單體電芯承受的短路電流值在20C時，且持續(xù)工作40 s后電芯才自動斷開失效而不失控；動力電池單體電芯承受的短路電流值在30C時，且持續(xù)工作21 s后電芯才自動斷開失效而不失控，如圖3所示。

圖3 磷酸鐵鋰單體電芯30C短路電流與時間和溫度關(guān)系試驗曲線

因此，HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)主回路設(shè)備選取原則：熔斷器在20C電流的沖擊下熔斷時間要遠小于動力電池電芯失效時間；接觸器的極限分斷電流要大于最大短路電流。按照此選取原則，根據(jù)HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)優(yōu)化前、后主回路工作電流選取的設(shè)備見表2、表3。

表2 HXN6型機車動力電池系統(tǒng)主回路優(yōu)化前后熔斷器選型參數(shù)對照表

表3 HXN6型機車動力電池系統(tǒng)主回路優(yōu)化前后接觸器選型參數(shù)對照表

2.3 動力電池系統(tǒng)物理分割設(shè)計方案

HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)沒有進行物理分割前，動力電池室由一個大的動力電池模塊組成，如圖4（a）所示，從能量上只有1個支路，由22個動力電池包串聯(lián)組成，每個動力電池包的參數(shù)為：1070 Ah、64 V、68.48 kW?h，總?cè)萘繛?500 kW?h，從結(jié)構(gòu)上所有動力電池包安裝在電池室內(nèi)組成一個整體，沒有設(shè)置隔熱、阻燃、防火和防爆結(jié)構(gòu)，動力電池包安裝在動力電池室內(nèi)，司機室前端墻和電氣室隔墻共同作為動力電池室的隔墻，因此，動力電池室既不能阻止內(nèi)部動力電池熱失控后的熱量向司機室和電氣室傳遞，也不能阻斷外部熱源向動力電池室內(nèi)部擴散。

HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)按照物理分割原則進行物理分割后，動力電池室由2個動力電池模塊組成，如圖4（b）所示。動力電池模塊內(nèi)中間隔墻設(shè)計為隔熱、阻燃、防火結(jié)構(gòu)，將動力電池模塊分割為完全獨立2個空間（又稱動力電池倉），每個電池倉由5個動力電池包串聯(lián)組成該電池支路系統(tǒng)，每個動力電池包的參數(shù)為：216 Ah、272 V、58.752 kW?h，該 支 路 系 統(tǒng) 總 容 量 為293.76 kW?h。同時將該模塊的前后端墻及底部也設(shè)計為隔熱、阻燃、防火的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電池倉與電池倉間、模塊與外部之間的物理隔離；每個動力電池模塊由2個相互獨立動力電池倉構(gòu)成，因此每個電池模塊動力電池總?cè)萘繛?93.76 kW?h×2，則整個動力電池系統(tǒng)總?cè)萘繛?93.76 kW?h×4即1175 kW?h。

為了提高制造、安裝以及更換的效率，動力電池室采用了模塊化設(shè)計思路，2個完全相同的動力電池模塊，均通過6個活動錐形座安裝在車架上，可單獨起吊和安裝。HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)物理分割前后對照如圖4所示。

圖4 HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)物理分割前后對照圖

2.4 動力電池模塊增加隔熱、阻燃、防火和防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計

HXN6型混合動力調(diào)車機車優(yōu)化后的動力電池模塊的前后端墻和底部增加隔熱、阻燃、防火設(shè)計，內(nèi)部2個電池倉之間的隔墻也設(shè)計為隔熱、阻燃、防火結(jié)構(gòu)，將模塊內(nèi)2個動力電池倉完全物理隔離，左右側(cè)墻上的檢修門和頂部空調(diào)內(nèi)循環(huán)通風系統(tǒng)表面均涂防火涂料，動力電池模塊隔熱、阻燃和防火結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 動力電池模塊優(yōu)化后隔熱、阻燃和防火構(gòu)圖

防火墻結(jié)構(gòu)：由兩層鋼板，中間填充絕熱材料構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 防火墻結(jié)構(gòu)

防火墻絕熱材料擬采用陶瓷纖維，具有低導(dǎo)熱率、良好的隔熱性能。陶瓷纖維主要參數(shù)見表4。

表4 陶瓷纖維主要參數(shù)

防火計算：在模塊中防火墻采用3 mm鋼板+24 mm絕熱防火材料+3 mm鋼板的結(jié)構(gòu)形式，假設(shè)動力電池系統(tǒng)內(nèi)部熱失衡后，如磷酸鐵鋰電池熱失控后溫度在800℃。如熱源A點為熱失控后的電池，距防火墻48 mm，如圖7所示。

圖7 防火墻防火計算示意圖

通過熱傳導(dǎo)計算，在環(huán)境溫度為40℃時，該熱源經(jīng)過空氣及和防火墻的熱傳導(dǎo)30 min后，在B點處的穩(wěn)態(tài)溫度為101℃，升溫61℃。B點處的溫度低于電芯熱失控溫度初始150℃，即1個電池倉內(nèi)A電池包發(fā)生熱失控后，半個小時之內(nèi)，不會導(dǎo)致另1個電池倉內(nèi)B點電池包熱失控。

2.5 動力電池系統(tǒng)增加防爆、泄壓裝置設(shè)計

HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池系統(tǒng)優(yōu)化前沒有設(shè)計防爆、泄壓裝置，因此如果動力電池電芯熱失控后，釋放電解液蒸汽，一方面使動力電池室內(nèi)壓力增大，同時使動力電池室內(nèi)可燃氣體濃度增加，當可燃氣體濃度達到爆燃濃度時，遇到高溫立即爆燃并損壞動力電池檢修門，不僅使動力電池失控，迅速擴展，而且損壞周圍相鄰設(shè)備。

根據(jù)動力電池系統(tǒng)物理分割原則中對防爆、泄壓裝置的要求，HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池進行物理分割后，動力電池倉內(nèi)設(shè)置防爆、泄壓裝置，在保證電池倉內(nèi)的可燃氣體在沒有達到燃爆點前就泄壓釋放。根據(jù)磷酸鐵鋰動力電池特性和電池倉的空間容量及結(jié)構(gòu)強度確定動力電池倉的泄壓閥參數(shù)為：泄壓值4 kPa；泄壓速度5.2 L/s；流通量800 mm2。安裝位置設(shè)置在動力電池模塊側(cè)頂部，如圖8所示。泄爆方向在車頂斜上方，達到了遠離人工操作區(qū)、設(shè)備區(qū)和危險源，保證人員安全，防止次生災(zāi)害目的。

圖8 泄壓閥安裝示意圖

3 試驗驗證

HXN6型混合動力調(diào)車機車動力電池成組結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案于2018年12月12日在北京通過了中車集團公司組成的專家組的評審，并于2019年4月16日在北京通過了中國鐵路總公司科信部組成的專家組的評審。該動力電池系統(tǒng)優(yōu)化改進后，中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所按照《2200 kW混合動力技術(shù)驗證調(diào)車機車補充研究試驗大綱》進行了機車動力電池系統(tǒng)保護裝置動作正確性試驗，主要包括：動力電池組過流、過壓，單體過壓、欠壓，SOC低，電池組溫度過高、過低，接地，全部合格；進行了管理系統(tǒng)通信故障試驗，驗證了機車上動力電池系統(tǒng)保護裝置動作正確；進行了動力電池冷卻能力試驗：在大于35℃環(huán)境條件下，模擬調(diào)車現(xiàn)場極端工況機車最大允許1200 kW放電功率進行持續(xù)放電，SOC從92%放至20%后，立刻進行柴油機1250 kW全功率持續(xù)充電，SOC從20%充至91%，動力電池最高溫度41℃，遠低于動力電池最高允許使用溫度55℃要求［1］。

北京交通大學對動力電池單體按照《HXN6型混合動力調(diào)車機車動力鋰離子電池單體和模組型式試驗大綱》進行了過放電、過充電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、低氣壓共9項安全性試驗，試驗結(jié)果合格；按《HXN6型混合動力調(diào)車機車動力鋰離子電池包和系統(tǒng)型式試驗大綱》對動力電池包進行了擠壓、溫度沖擊、濕熱循環(huán)、外部火燒、鹽霧、高海拔、過溫保護、過充電保護、過放電保護、過流保護、短路保護、短路、線束短路、熱失控、-40℃低溫放電性能等安全性試驗，試驗結(jié)果合格；按《HXN6型混合動力調(diào)車機車動力鋰離子電池包和系統(tǒng)型式試驗大綱》對動力電池系統(tǒng)進行了機械沖擊、耐振動試驗，全部合格；按《HXN6型混合動力調(diào)車機車動力鋰離子電池包和系統(tǒng)型式試驗大綱》對動力電池系統(tǒng)進行了35℃以上的高溫環(huán)境冷卻能力試驗，動力電池1200 kW最大放電功率放電，SOC從92%放至20%后，立刻進行柴油機1250 kW全功率持續(xù)充電，SOC從20%充至91%，再立即用900 kW放電功率持續(xù)放電，SOC從90%放至20%后，立刻進行柴油機970 kW功率持續(xù)充電，SOC從20%充至90%，動力電池最高溫度47℃，遠低于動力電池最高允許使用溫度55℃要求［2］。

4 結(jié)論

HXN6型混合動力調(diào)車機車優(yōu)化后動力電池系統(tǒng)具有極高的安全性，符合在機車上裝車應(yīng)用的安全要求。通過在成都局集團公司4個月的補充運用考核，機車動力電池系統(tǒng)工作穩(wěn)定［3］。