基于鋰離子電池技術(shù)的鐵路冷藏車輛裝備供電系統(tǒng)應(yīng)用

陳嘉楠，趙 宇，郭碧霄，馬明陽(yáng)，宋育洋

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3 高速鐵路與城軌交通系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100081；4 動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展和新能源技術(shù)的日漸成熟，傳統(tǒng)鐵路冷鏈運(yùn)輸裝備技術(shù)薄弱、使用維護(hù)成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題愈發(fā)突出，傳統(tǒng)鐵路冷鏈運(yùn)輸裝備能源集中配置的技術(shù)特點(diǎn)與未來(lái)冷鏈運(yùn)輸靈活化、小型化和標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)輸組織需求產(chǎn)生矛盾［1-2］。目前裝有柴油發(fā)電機(jī)的冷藏集裝箱已經(jīng)得到大量使用，但是柴油發(fā)電型冷藏集裝箱具有高污染、噪音大、高原地區(qū)效率低、部分地區(qū)油料運(yùn)輸和儲(chǔ)存困難等問(wèn)題，限制了柴油發(fā)電型冷藏集裝箱的使用。

鐵路冷藏車輛在線路運(yùn)行時(shí)無(wú)外部能量輸入，供電系統(tǒng)需要具備儲(chǔ)能功能，且能夠滿足鐵路冷鏈物流運(yùn)輸需求，適應(yīng)鐵路運(yùn)輸?shù)膼毫迎h(huán)境。隨著鋰離子電池技術(shù)日趨成熟，鋰離子電池已在國(guó)內(nèi)鐵路機(jī)車車輛上得到一定程度的應(yīng)用，為鐵路機(jī)車車輛的牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)提供能量。鋰離子電池系統(tǒng)具有大容量、輕量化、小型化和充放電倍率大等優(yōu)點(diǎn)，又具有綠色環(huán)保、使用維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)［3-4］，可以減少對(duì)地面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的依賴。

1 鋰離子電池系統(tǒng)技術(shù)需求分析

分析國(guó)內(nèi)鐵路冷鏈線路的車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間、裝卸和集疏時(shí)間，鋰離子電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能能力需要滿足鐵路冷藏集裝箱連續(xù)保溫120 h 的電能需求。通過(guò)對(duì)冷藏集裝箱保溫性能分析和地面試驗(yàn)驗(yàn)證，鋰離子電池系統(tǒng)額定容量應(yīng)不少于280 kW?h。

鐵路冷藏集裝箱的充電時(shí)間和充電方式對(duì)集裝箱的運(yùn)用有明顯影響，通過(guò)對(duì)集裝箱運(yùn)用需求調(diào)研，額定充電功率下充電時(shí)間應(yīng)不超過(guò)2 h。由于鋰離子電池系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)鐵路貨運(yùn)中應(yīng)用尚未普及，鐵路冷鏈物流場(chǎng)站尚未大量建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，充電方式應(yīng)兼容直流充電和3 AC 380 V 交流2 種充電制式。

鐵路冷藏集裝箱使用變頻制冷機(jī)組調(diào)節(jié)集裝箱貨艙內(nèi)的溫度，為貨物提供適宜的存儲(chǔ)溫度，制冷機(jī)組當(dāng)箱內(nèi)的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)工作在制冷工況，當(dāng)箱內(nèi)溫度達(dá)到停機(jī)溫度時(shí)停止制冷。

鐵路冷藏集裝箱使用環(huán)境溫度范圍為-40~50 ℃。鋰離子電池系統(tǒng)應(yīng)能夠在此溫度范圍內(nèi)充放電。

2 鋰離子電池系統(tǒng)配置

鐵路冷藏集裝箱鋰離子電池系統(tǒng)包括鋰離子電池包、高壓元器件、電池管理單元、箱體結(jié)構(gòu)和高低壓連接等，如圖1 所示。

針對(duì)鐵路冷藏集裝箱的運(yùn)用和技術(shù)特點(diǎn)，提出鋰離子電池系統(tǒng)配置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋰離子電池系統(tǒng)配置參數(shù)

鋰離子電池系統(tǒng)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，在使用壽命內(nèi)電池系統(tǒng)容量最大衰減為10%。鋰離子電池系統(tǒng)額定容量311.04 kW?h，能夠在系統(tǒng)使用壽命內(nèi)滿足容量需求。

鋰離子電池系統(tǒng)能夠兼容直流充電樁和3 AC 380 V 交流2 種充電方式。當(dāng)直流充電樁接入鐵路冷藏集裝箱充電插口時(shí)，鋰離子電池系統(tǒng)的主回路與充電樁功率線連接，系統(tǒng)的充電CAN 總線與充電樁通信線連接，鋰離子電池系統(tǒng)根據(jù)自身狀態(tài)控制充電。當(dāng)使用3 AC 380 V 交流充電時(shí)，鋰離子電池系統(tǒng)經(jīng)過(guò)整流模塊與電源連接，整流模塊將3 AC 380 V 交流轉(zhuǎn)換成直流電壓，為鋰離子電池系統(tǒng)充電。鋰離子電池系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì)參數(shù)、器件選型和載流能力，滿足2 h 系統(tǒng)荷電狀態(tài)從0 充電至100%的需求。由于鋰離子電池系統(tǒng)負(fù)載工作電流遠(yuǎn)小于最大持續(xù)充電電流，最大持續(xù)充放電電流270 A 能夠滿足充電和放電工況需求。

由于環(huán)境溫度低于-20 ℃時(shí)，磷酸鐵鋰電池材料性能明顯下降，鋰晶枝的析出導(dǎo)致電池安全防護(hù)失效的風(fēng)險(xiǎn)變大。為滿足-40~50 ℃工作溫度的要求，在鋰離子電池系統(tǒng)中加入熱管理系統(tǒng)，使鋰離子電池單體溫度維持適宜的工作溫度范圍。

2.1 鋰離子電池包

鐵路冷藏集裝箱鋰離子電池包由一定數(shù)量的鋰離子電池單體串、并聯(lián)，裝入傳感器、熱管理裝置和其他電路組成。鋰離子電池單體是系統(tǒng)中的最小儲(chǔ)能單元，單體的開(kāi)路電壓僅由正極、負(fù)極和電解液材料特性以及溫度等條件決定。鋰離子電池包采集單體電壓、鋰離子電池包電壓、電流和溫度等參數(shù)，發(fā)送到電池管理單元。

2.2 電池管理單元

鐵路冷藏集裝箱電池管理單元是確保鋰離子電池系統(tǒng)高效安全運(yùn)行的子系統(tǒng)，其功能包括：電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)分析、控制功能、能量管理、安全保護(hù)、對(duì)外通訊和信息管理。電池管理單元根據(jù)鋰離子電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電氣布局特點(diǎn)，可分為二級(jí)結(jié)構(gòu)。一級(jí)電池管理單元具有電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和部分能量管理功能；二級(jí)電池管理單元具有電池狀態(tài)分析、控制功能、部分能量管理、安全保護(hù)和信息管理功能。電池管理單元采用分布式架構(gòu)，即一級(jí)電池管理單元與被監(jiān)測(cè)的單元集成在同一個(gè)封閉箱體內(nèi)，通過(guò)通信線纜與二級(jí)電池管理單元連接；二級(jí)電池管理單元單獨(dú)封裝成箱或集成在鋰離子電池系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)箱體中。

2.3 控制策略

鐵路冷藏集裝箱鋰離子電池系統(tǒng)的控制策略是系統(tǒng)可靠、安全允許的重要保障，系統(tǒng)控制策略如圖2 所示，控制策略具體包括以下4 部分：

圖2 系統(tǒng)控制策略

（1）充電上下電策略：電池系統(tǒng)檢測(cè)到充電槍連接，并接收到充電信號(hào)后，閉合充電接觸器開(kāi)始充電，同時(shí)監(jiān)控充電電流和電壓，并對(duì)系統(tǒng)荷電狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)系統(tǒng)荷電狀態(tài)為100%或檢測(cè)到充電槍拔出后，系統(tǒng)斷開(kāi)充電接觸器結(jié)束充電。

（2）放電上下電策略：電池系統(tǒng)接收到集裝箱的放電指令后，首先向制冷機(jī)組進(jìn)行預(yù)充電，然后閉合放電接觸器開(kāi)始放電，持續(xù)監(jiān)控放電電壓和電流，并將放電狀態(tài)反饋至集裝箱控制器；當(dāng)檢測(cè)到電池系統(tǒng)故障、荷電狀態(tài)過(guò)低或收到放電停止指令時(shí)，電池系統(tǒng)斷開(kāi)放電接觸器結(jié)束放電。

（3）診斷保護(hù)策略：電池管理單元對(duì)電池單體的電壓和溫度以及系統(tǒng)的電壓、電流、溫度和絕緣等狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如檢測(cè)到狀態(tài)異常，根據(jù)異常嚴(yán)重程度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行限流或停機(jī)保護(hù)。

（4）熱管理策略：電池管理單元通過(guò)控制電池包內(nèi)的熱管理裝置，調(diào)節(jié)鋰離子電池包的溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于磷酸鐵鋰電池材料適宜的工作溫度范圍時(shí)，通過(guò)消耗系統(tǒng)中存儲(chǔ)的能量，或通過(guò)充電樁供電，加熱鋰離子電池系統(tǒng)。

3 鋰離子電池系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

鋰離子電池系統(tǒng)裝入鐵路冷藏集裝箱，開(kāi)展地面綜合試驗(yàn)，驗(yàn)證冷藏集裝箱和鋰離子電池系統(tǒng)在北方冬季環(huán)境下的各項(xiàng)性能。然后，集裝箱在上海和成都間開(kāi)展試運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證冷藏集裝箱和鋰離子電池系統(tǒng)在實(shí)際工況下的性能。

3.1 鋰離子電池系統(tǒng)低溫性能驗(yàn)證

以鐵路冷藏集裝箱于某年1 月5 日~某年1 月24 日完成的1 次充電和續(xù)航試驗(yàn)為例，試驗(yàn)期間平均氣溫-2.2 ℃，最低溫度-19.1 ℃，最高溫度13.6 ℃，試驗(yàn)?zāi)M裝載冷凍貨物運(yùn)輸?shù)墓r，手動(dòng)設(shè)定集裝箱內(nèi)部溫度為-15 ℃。集裝箱控制器自動(dòng)閉環(huán)控制箱內(nèi)溫度，鋰離子電池系統(tǒng)為冷卻機(jī)組提供電能。試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境溫度、鋰離子電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度、冷藏集裝箱電池倉(cāng)內(nèi)溫度、電池系統(tǒng)的充放電電流、剩余電量曲線分別如圖3、圖4所示。圖中，1 月5 日8∶30 左右，電池系統(tǒng)啟動(dòng)熱管理系統(tǒng)，然后進(jìn)行充電。電池系統(tǒng)充電至16∶15左右時(shí)，電池系統(tǒng)的剩余電量為100%，充電過(guò)程完成。1 月12 日~1 月24 日，冷藏集裝箱的制冷機(jī)組運(yùn)行，鋰離子電池系統(tǒng)為集裝箱的全部負(fù)載供電。期間隨晝夜交替環(huán)境溫度周期性升降變化，當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)需要進(jìn)行充放電時(shí)，檢測(cè)到環(huán)境溫度過(guò)低，啟動(dòng)熱管理系統(tǒng)，提高鋰離子電池單體的溫度，鋰離子電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度穩(wěn)定且維持在適宜范圍。截止至1 月24 日12 點(diǎn)，冷藏集裝箱持續(xù)制冷運(yùn)行288 h，鋰離子電池系統(tǒng)剩余電量25.5%，續(xù)航時(shí)間滿足技術(shù)指標(biāo)。

圖3 低溫性能試驗(yàn)電池溫度數(shù)據(jù)

圖4 低溫性能試驗(yàn)電池電性能數(shù)據(jù)

3.2 鋰離子電池系統(tǒng)實(shí)際工況下性能驗(yàn)證

以鐵路冷藏集裝箱于某年7 月15 日~某年7月21 日完成的1 次試運(yùn)考核為例，運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖5、圖6 所示。本次考核過(guò)程中平均氣溫31.1 ℃，最低溫度23 ℃，最高溫度41.5 ℃，集裝箱試驗(yàn)過(guò)程中裝載冷凍貨物，手動(dòng)設(shè)定箱內(nèi)溫度為-15 ℃。集裝箱初始剩余電量97.6%，7 月15 日在上海完成貨物裝載后，14∶20 起由鋰離子電池系統(tǒng)為集裝箱制冷機(jī)組供電。集裝箱于7 月20 日到達(dá)成都，于21日2∶15 關(guān)閉集裝箱的制冷機(jī)組，鋰離子電池系統(tǒng)停止供電，剩余電量7.2%，本次考核鐵路冷藏集裝箱持續(xù)運(yùn)行132 h，滿足續(xù)航時(shí)間的技術(shù)指標(biāo)。

圖5 實(shí)際工況下電池溫度數(shù)據(jù)

圖6 實(shí)際工況下電池電性能數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

文中介紹了一種適用于鐵路冷藏集裝箱的鋰離子電池供電系統(tǒng)。電池單體材料采用磷酸鐵鋰，滿足鐵路安全性要求條件下，相比鉛蓄和鎳鎘等電池具有較高的體積和質(zhì)量能量密度；鋰離子電池系統(tǒng)針對(duì)鐵路冷藏集裝箱的運(yùn)用工況，將系統(tǒng)額定容量設(shè)計(jì)高于容量需求的10%，能夠在系統(tǒng)使用壽命內(nèi)滿足容量需求；鋰離子電池系統(tǒng)具備直流充電樁和3 AC 380 V 交流2 種充電方式，直流充電方式條件下系統(tǒng)滿足2 h 荷電狀態(tài)從0 充電至100%的條件，3 AC 380 V 交流充電方式能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)主要鐵路冷鏈物流場(chǎng)站的基礎(chǔ)設(shè)施條件；鋰離子電池系統(tǒng)中集成了熱管理系統(tǒng)，能夠滿足-40~50 ℃使用溫度的要求。鋰離子電池系統(tǒng)裝入鐵路冷藏集裝箱，開(kāi)展了地面綜合試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)，分別在北方冬季和南方夏季環(huán)境下，對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，并開(kāi)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)跟蹤。試驗(yàn)證明該鋰離子電池系統(tǒng)能夠滿足鐵路冷藏集裝箱供電系統(tǒng)的技術(shù)需求。鋰離子電池技術(shù)在鐵路冷藏車輛裝備供電系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。