城轨车辆蓄电池容量计算

城轨车辆蓄电池容量计算

吴美玲、王丹梅

（中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412000 ）

摘要：本文对城轨车辆蓄电池容量计算进行了介绍，主要包含蓄电池容量计算输入条件、容量计算方法及容量的选取。

关键词：城轨车辆；蓄电池；容量计算

0 引言

城轨车辆的蓄电池系统主要为列车提供低压直流供电，用于激活列车并且在列车失去高压或充电机无法工作时，为整列车的紧急负载提供应急电源，保证紧急情况下列车的应急照明、紧急通风等关键功能在规定的时间内维持运行。随着城轨车辆应急牵引、全自动驾驶等需求的出现，蓄电池系统还需考虑列车失去高压时的应急牵引功能和全自动驾驶列车休眠负载维持的功能。

1蓄电池容量计算输入条件

蓄电池容量计算前应先理清计算输入条件，一般包含：使用环境、系统工作电压范围、蓄电池类型、寿命要求、蓄电池负载工况。

蓄电池使用环境温度对蓄电池选用影响较大，低温环境会影响蓄电池的放电能力，高温环境会影响蓄电池的充电安全。使用环境温度主要影响蓄电池容量计算时温度系数的选取。系统电压等级会决定蓄电池组只数的选择范围。蓄电池类型、使用寿命相互关联，蓄电池的选用还涉及维护、存储、回收等全生命周期成本各方面因素的考虑，城轨车辆常用蓄电池类型有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池，在对蓄电池类型进行选择时需注意适用标准、维护、性能寿命上的差异，具体如表1所示。

表1 铅酸、镍镉蓄电池差异

项点	铅酸蓄电池	镍镉蓄电池
标准	GB/T 7404.1	GB/T 15142
维护	密封电池，不需加液，需定期地面充电维护	开口电池，需观察液面、加液，需定期地面充电维护
自放电	自放电率不大于4%	自放电率不大于20%
设计寿命	8-10年	12-15年
回收	易回收	不易回收

除环境、电压、类型影响蓄电池本身性能的相关输入条件，蓄电池负载工况对蓄电池容量计算影响较大，蓄电池常见的负载工况需求有：城轨车辆紧急负载供电、无人驾驶车辆休眠负载维持、蓄电池应急牵引，一般还需考虑为可能增加的负载预留容量的要求。每种工况下的负载功率和时间，影响放电系数的选取，同时需分析是否有工况叠加的要求。

本文将以示例的方式对城轨车辆蓄电池系统设计进行介绍，示例的输入条件如下：

1）系统电压等级为DC110V（电压范围DC77V～137.5V）；

2）使用环境最低温度0℃；

3）考虑预留余量15%；

4）使用寿命：15年

5）负载工况：

工况1-列车紧急负载25kW供电45min；

工况2-3‰坡道上蓄电池牵引100m，0-1s牵引平均电流为600A，1-9s牵引平均电流为400A，9-93s牵引平均电流为160A；

工况3-休眠负载140W，7天。

2蓄电池容量计算

2.1 蓄电池只数选取

根据使用寿命15年的要求，选择使用镍镉蓄电池，蓄电池单体标称电压为1.2V。

为使蓄电池组的充电电压处于系统电压的相对适中的范围内，DC110V系统选用碱性蓄电池组的单体数量可在76只-84只之间选择，一般选取80只。

2.2 蓄电池容量计算系数选取

在蓄电池容量计算时需根据温度、充电、寿命、放电要求及蓄电池产品特性选取一定的系数，以满足蓄电池寿命终止前仍能满足使用要求，本文的计算系数为示例，具体如下：

蓄电池充电系数： 0.9（表示车载充电机充电能使蓄电池充满后的容量不低额定容量的90%）

蓄电池老化系数：0.9（表示要求的寿命终止时，蓄电池容量不低额定容量的90%）

蓄电池温度系数：0.9（表示0℃时，蓄电池能放出的容量不低额定容量的90%）

蓄电池大电流放电系数：1C放电系数0.95（表示以1C₅A电流放电时，蓄电池能放出的容量不低额定容量的95%）；2C放电系数0.9（表示以3C5A电流放电时，蓄电池能放出的容量不低额定容量的9%）；3C放电系数0.83（表示以3C5A电流放电时，蓄电池能放出的容量不低额定容量的83%）。

2.3 不同工况下的容量计算

蓄电池组的标称电压为：1.2×80=96V

蓄电池组的放电终止电压为：1.05×80=84V

工况1容量计算：

平均放电电流：I=P/V=25×1000/（（96+84）/2）A=277.8A

紧急负载放电时间45分钟消耗蓄电池的容量为：C0=45/60×I Ah=208.35Ah

考虑各系数及预留余量后整列车蓄电池容量应为：C=1.15×C0/(0.9×0.9×0.9×0.95)Ah =345.9Ah

工况2容量计算：

0-1s牵引辅助总电流为（600+277.8）A，需要的容量为C1=844.44×1/3600=0.24Ah

1-9s牵引辅助总电流为（400+277.8）A，需要的容量为C2=644.44×8/3600=1.51Ah

9-93s牵引辅助总电流为（160+277.8）A，需要的容量为C3=404.44×84/3600=10.22Ah

考虑各系数后整列车蓄电池容量应为：C=1.15×C1/(0.9×0.9×0.9×0.83)+C2/ (0.9×0.9×0.9×0.9)+C3/(0.9×0.9×0.9×0.95) =20.08Ah

工况3容量计算：

平均放电电流：I=P/V=140/（（96+84）/2）=1.56A

休眠7天消耗蓄电池的容量为：C0=7×24×I=262.08Ah

考虑各系数及预留余量后整列车蓄电池容量应为：C=1.15×C0/(0.9×0.9×0.9×1) =413.4Ah

2.4 蓄电池容量确定

根据不同工况下的容量计算，以及城轨车辆常用的整列车两组蓄电池的配置情况，工况1紧急负载供电单组蓄电池容量需求为345.9/2Ah=172.95Ah，工况2应急牵引单组蓄电池容量需求为20.08/2 Ah =10.04Ah，工况3休眠负载单组蓄电池容量需求为413.4/2 Ah =206.7Ah。

仅工况1：选择大于172.95Ah的常用蓄电池规格，如180Ah。

先工况2，再工况1：选择大于172.95+10.04=182.99Ah的常用蓄电池规格，如200Ah，此时由于有应急牵引功能，需根据应急牵引所需的最低电压及大电流放电曲线调整相关参数。

先工况1，再工况2：此时由于有先工况1后，蓄电池电压已经降低，应急牵引功能的最低电压将要求不能满足，一般应尽量避免出现该工况。

工况3：一般不与工况1、工况2叠加考虑，在3种工况均单独出现时，比较出最大的容量需求进行蓄电池规格的选择，工况3的容量需求一般会覆盖前面的工况，因此选择大于206.7Ah的常用蓄电池规格，如220Ah、230Ah。

3 结论

本文以镍镉蓄电池为例，对城轨车辆蓄电池容量计算进行了介绍，铅酸蓄电池可参考计算，其中铅酸蓄电池的单体标称电压为2V，单体终止电压为1.75V，DC110V系统每组蓄电池单体数量可选52只、54只。本文计算过程中考虑的系数，均需根据当前选用的蓄电池本身的特性来选取，涉及的蓄电池规格的选择，均需在确定常用产品规格中选择。本文仅以DC110V系统为示例，其他电压等级的系统可参考执行。本文计算的负载工况为城轨车辆常见的工况，具体情况需根据实际情况考虑。

参考文献：

1. 王庆召，刘东广. 深圳地铁5号线车辆蓄电池的选型分析[J]. 电力机车与城轨车辆，2011（02）.

2. 查小菲，唐朝辉. 地铁车辆供电蓄电池合理选型分析. 中国新技术产品，2013(03）.

3. 张爱霞，陈文禄，崔杰. 地铁车辆蓄电池选型分析. 应用能源技术，2016（04）.