軌道交通工程車固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)應用分析

唐艷麗，張婷婷，江大發(fā)

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

1 引言

目前，軌道交通工程車主要采用鉛酸蓄電池作為牽引動力源。傳統(tǒng)工程車鉛酸蓄電池能量密度低，電池中存在大量的鉛和硫酸，廢棄后處理不當會對環(huán)境造成污染。傳統(tǒng)的液體電池采用有機液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴重的安全隱患[1-3]。而很多無機固態(tài)電解質材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，因此，采用固態(tài)鋰離子電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉛酸蓄電池安全性大幅提高[4-7]。此外，固態(tài)電池由于沒有液態(tài)電解質和隔膜，電池外殼和冷卻系統(tǒng)得到簡化，減輕了電池重量，從而提高了體積能量密度和系統(tǒng)能量密度[8-9]。隨著軌道交通的發(fā)展，工程車對儲能系統(tǒng)的環(huán)保、安全性和能量密度等要求不斷提高[10-12]，同時，為助力實現(xiàn)我國“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標，迫切需要發(fā)展高能量密度、環(huán)保的動力電池，同時兼顧功率特性、循環(huán)壽命和成本等其他性能[13-15]。

2 電池系統(tǒng)參數(shù)需求

軌道交通工程車用于線路檢測、檢修與維護作業(yè)，因此，牽引蓄電池需滿足供電模式下車輛自身牽引需求[16-17]。工程車牽引制動指標如表1所示，結合某典型線路數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛單節(jié)車能耗實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及仿真理論計算，牽引蓄電池系統(tǒng)所需容量為66 k W · h。考慮電池充電效率、放電系數(shù)、溫度系數(shù)及壽命系數(shù)（老化系數(shù)）等，牽引蓄電池設計容量考慮90%的放電深度和最大20%的老化率，牽引蓄電池系統(tǒng)實際設計容量應為66÷0.9÷0.8 = 91.67 k W · h。固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)參數(shù)需求如表2所示。

表1 工程車牽引制動指標

表2 固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)參數(shù)需求

3 電池系統(tǒng)配置方案

根據(jù)軌道交通工程車電池系統(tǒng)的需求電壓和電流，結合固態(tài)鋰離子電池單體參數(shù)，確定電池的串并聯(lián)方式3P4S（3并4串）及電池模組配置，并根據(jù)系統(tǒng)需求，組裝成電池包，進行電池系統(tǒng)能量配置，同時，結合軌道交通工程車現(xiàn)有的安裝空間和尺寸，進行電池系統(tǒng)的空間布置。

3.1 電池單體

固態(tài)鋰離子電池單體選用成熟的固態(tài)三元鋰電池軟包電芯，如圖1所示。主要技術參數(shù)如表3所示。

表3 固態(tài)鋰離子電池單體技術參數(shù)

圖1 固態(tài)鋰離子電池單體示意圖

3.2 電池模組

固態(tài)鋰離子電池模組由電池單體串并聯(lián)（3P4S）組成，為單層安裝結構，如圖2所示，主要技術參數(shù)如表 4所示。

表4 固態(tài)鋰電池模組技術參數(shù)

圖2 固態(tài)鋰離子電池模組示意圖

3.3 電池包

電池包由電池管理系統(tǒng)（BMS）、14個標準電池模組、高壓接口和箱體等組成。電池包外部配置高壓箱，用于充電管理及配電分配。固態(tài)鋰離子電池包如圖3所示。

圖3 固態(tài)鋰離子電池包示意圖

3.4 電池系統(tǒng)

固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)由4個相同的電池包、1個集成式電池系統(tǒng)配電盒（BDU）和1套BMS系統(tǒng)組成，如圖4所示。固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)安裝在車頂，采用自然散熱冷卻方式，具有高能量密度、裝配簡單、低成本的特點，便于系統(tǒng)檢修和維護。系統(tǒng)總正負極和線纜具有明確的標識，模組接線柱等部件均采取有效的絕緣保護。

圖4 固態(tài)鋰電池系統(tǒng)示意圖

軌道交通工程車采用固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)作為牽引動力源，通過牽引仿真計算，其各項技術參數(shù)、性能指標滿足軌道交通工程車車輛各項指標需求，固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)技術參數(shù)如表5所示。

表5 固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)技術參數(shù)

4 電池系統(tǒng)控制方案

BMS系統(tǒng)主要用于對車輛的動力電池參數(shù)進行實時監(jiān)控和控制管理，其中包括高精度電池荷電狀態(tài)（SOC）估算、熱管理、故障診斷、充放電管理等，并通過控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線的方式與車輛集成控制器或充電機進行信息交互，保障車輛高效、可靠、安全運行。BMS 系統(tǒng)通過整車CAN與整車通信，實現(xiàn)對電池系統(tǒng)各項參數(shù)的實時監(jiān)控，防止電池系統(tǒng)出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池系統(tǒng)使用壽命，從而為車輛提供一個更加安全、穩(wěn)定的運行環(huán)境。

固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)作為軌道交通工程車牽引動力源已經(jīng)裝車運行考核1 年有余，通過牽引仿真計算，其性能指標仍滿足車輛各項指標需求，安全可靠性高。

5 電池系統(tǒng)壽命分析

軌道交通工程車要求儲能電源壽命需達到5年以上。根據(jù)蓄電池工程車使用經(jīng)驗，工程車在使用時以接觸網(wǎng)或接觸軌供電模式為主，蓄電池供電模式主要用于庫內(nèi)調車、維護作業(yè)（僅開啟輔助負載）以及電網(wǎng)故障等工況，平均每個工作日蓄電池深度循環(huán)次數(shù)小于1 次。假設工程車每月工作20天，全年蓄電池深度循環(huán)次數(shù)小于20×12 = 240次，則5年內(nèi)蓄電池深度循環(huán)次數(shù)小于240×5 = 1 200次，固態(tài)鋰離子電池循環(huán)壽命為3 000次，可滿足軌道交通工程車電池系統(tǒng)壽命需求。

6 結語

固態(tài)鋰離子電池系統(tǒng)綠色環(huán)保，具有高安全性能、高能量密度、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬等優(yōu)勢，在軌道交通領域具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應用前景。將固態(tài)鋰離子電池進行系統(tǒng)集成并配置智能管理系統(tǒng)應用于軌道交通工程車，不僅能滿足軌道交通各種車輛功率和能量要求，實現(xiàn)全線無網(wǎng)運行，而且對軌道交通新型儲能動力包系統(tǒng)的發(fā)展具有重要影響。