钛酸锂电池在天津地铁2号线车辆上的应用研究

钛酸锂电池在天津地铁2号线车辆上的应用研究

吴涛

天津市地铁下铁道运营有限公司天津300000

摘要：文章介绍了钛酸锂电池在天津地铁2号线车辆的选型、设计及应用情况，对电池选型、主电路设计、整车安全性设计、电池系统安全性设计进行了详细论述，并针对性的提出了后续的设计及选型改进建议。

关键词：地铁车辆；蓄电池牵引；钛酸锂电池

1、引言

目前国内主流蓄电池牵引形式以碱性高倍率电池为动力，主要用于平直道运行及段场调车使用。由于碱性蓄电池能量密度比低，导致列车增重较大，大大降低其应用的可行性。天津地铁尝试采用钛酸锂电池作为地铁车辆动力蓄电池，成功的在2号线1列车上应用，实现了地铁列车蓄电池自牵引功能。

2设计方案

此次研究的总体目标为，在满足AW3载荷下，基于地铁全线路全天候的使用工况，在不大幅增加列车自重的情况下，实现自牵引功能，同时兼顾段场车辆自行转线，以减少调车机和段场电气化配置的成本。结合天津地铁2号线线路条件，蓄电池牵引车辆总体性能要求为：

3M3TAW320‰坡度325m+平直道500m，车辆运行速度不低于5km/h。

3M3TAW0段厂线内平直道路运行1000米，车辆运行速度不低于15km/h

2.1电池选型

根据技术需求，仿真得到蓄电池应急牵引特性曲线如图2-1所示。

图2-1蓄电池应急牵引特性曲线

电池及电池组设计如表2-1所示。

表2-1电池组规格参数

2.2主电路设计

蓄电池应急牵引系统主要包括：牵引蓄电池、DC/DC变流器、转换开关箱、辅助隔离开关箱、模式转换开关、控制电源断路器等。

通过在T车加装独立的紧急牵引用蓄电池组、电池组为额定电压DC607V的钛酸锂电池。在第三轨无网压的紧急情况下，车辆辅助用应急电源由安装于TC车的两组蓄电池组供电，而紧急牵引时使用安装于T车的紧急牵引蓄电池供电

主电路如图2-1和图2-2所示：

图2-1蓄电池牵引列车主电路1

图2-2蓄电池牵引列车主电路2

（1）在车辆正常使用情况下，转换开关箱CS在“网压”位，车辆VVVF由第三轨供电；

（2）在车辆需要使用蓄电池紧急牵引的情况下，通过将位于司机室的“供电模式”开关置于“电池”位，则CS开关转箱内K2接触器闭合，VVVF由蓄电池经过DC/DC升压为DC750V进行供电；

（3）DC/DC变流器在收到“电池”位信号+TCMS传输的≥2个转换开关“电池”位；或DC/DC变流器在收到“电池”位信号+“紧急运行按钮”信号后，将蓄电池电压升压为额定DC750V电压，再通过应急牵引母线给M/M1车的VVVF供电；

（4）在T车设置辅助隔离开关箱AIS，用以检修时切断AIS后端设备电源。

（5）在TC、M/M1、T车设置供电模式控制断路器PSMN、转换开关控制断路器CSN、牵引电池控制断路器TBCN、DC/DC变流器控制断路器DC/DCN；

（6）在司机室控制柜上设置一个供电模式开关PSMS（旋钮），用于控制转换开关箱在“第三轨”与“电池”位之间转换；

（7）DC/DC通过MVB网络与TCMS通信，DC/DC与蓄电池管理系统之间通过CAN总线通信。

2.3列车重量控制与平衡技术

列车在T车新增牵引蓄电池、DC/DC变流器、辅助开关箱，在M车和M1车各新增一个转换开关箱，重量总计约1.5t，通过车辆重量分配设计考虑，最后各车轴重、轮重满足车辆合同要求，

Tc车最大轴重为12.556t、M车最大轴重为13.588t，T车最大轴重为12.254t，均不大于14吨。Tc车最大轴重不平衡为0.04％，M车最大轴重不平衡为0.14％，T车最大轴重不平衡为1.14％，最大轴重不平衡均不大于2％。Tc车每车最大轮重不平衡为0.09%，M车每车最大轮重不平衡为0.33%，T车每车最大轮重不平衡为1.9%，均不大于±4％。

2.4整车安全性设计

（1）电气互锁

DC/DC高压输出电路与第三轨高压电路电气互锁。设置有模式转换开关，模式开关只有“第三轨”和“蓄电池”两档，并通过硬线及软件控制，确保DC/DC升压输出与第三轨隔离。

（2）零速转换

第三轨供电与蓄电池供电的切换设置有零速判断，确保在车辆静止时进行供电模式转换，避免出现设备拉弧现象

（3）电气保护

DC/DC具有输入短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、防反接保护、输出短路保护、内部散热器过温保护等；并配备熔断器、断路器、接触器、中间继电器等保护器件。

2.5蓄电池安全性设计及验证

以石墨作为负极材料的锂离子电池嵌锂的电位约为0.1V，在低温、高倍率充电时易在负极表面析出锂金属，锂金属堆积到一定程度便会刺破隔膜，造成电池内部短路，产生燃烧爆炸等严重危害人身安全的事故。而以钛酸锂作为负极材料的电池充电电位平台稍负于1.55V，即使在充电后期、低温或高倍率充电的情况下，此负极的电位也不会达到锂离子还原成金属锂的电位，不会产生由析锂引发的安全事故。

蓄电池严格按照国标进行了第三方测试，测试结果符合标准。

通过电池管理系统对电池状态进行监控控制，电池管理系统1个电池管理主控制单元（BCU）和多个电池管理从控单元（BMU）组成。BMU负责完成单体电池电压检测、温度检测及电池在线均衡控制功能，同时对相应的电路板电路单元进行硬件故障诊断，接收BCU的命令执行相关的控制指令。BCU作为电池管理系统总成的控制与管理核心单元，负责对BMU检测的数据进行实时处理，匹配硬件完成信号采集、解析和处理，对内网CAN总线进行管理。同时，负责与DC/DC的数据交换与过程控制。

蓄电池箱的防火设计严格按照DIN5510标准执行设计生产，箱体为金属框架，箱内部件按DIN5510或BS6853标准要求执行，箱内电气设备选择行业内业绩广泛产品，提高箱体可靠性、安全性。

蓄电池箱设置散热风机，当BMS检测到电池箱体内最高温度大于35℃（持续3s）且通过电池的电流大于20A（持续3s）则启动风机，当电池的最高温度降低到小于30℃（持续3s）且通过电池的电流小于20A（持续3s）则BMS停止风机。

3项目验证

截止2018年5月底，已完成列车装车、静动态调试、型式试验，开始正线载客运用。并采用蓄电池牵引模式已运用150km，从实际应用情况来看，运用情况总体良好，但在后续新车选型设计时仍应注意以下问题，

（1）在满足车下空间布局及车辆轴重的基础上，尽量提高AW3和AW0最高速度，以满足正线快速救援及段场调车需求

（2）牵引蓄电池需设计为空压机供电，满足制动供风需求。

（3）电池箱体设计时要充分考虑检修的便利性和安全性，

（4）蓄电池单体及系统检测数据应尽量完善，并可通过列车控制系统直接查看及下载。

4、结论

此次试验是钛酸锂电池首次应用于轨道交通车辆牵引领域，验证了保证列车轴重的基础上，通过列车蓄电池紧急牵引功能，在大坡道长距离超员载荷工况下实现车辆自身救援的可行性，并通过试验列车的正线载客运营和维护，为后续的新车设计和选型提供了宝贵经验。

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