紀(jì)軍

摘要

文章對(duì)一種電力蓄電池牽引車(chē)選用牽引用鋰電池的類型、可維護(hù)性、容量、充放電性能等參數(shù)的確定進(jìn)行了分析，并最終選用400Ah磷酸鐵鋰電池。

【關(guān)鍵詞】電力蓄電池牽引車(chē)（電力蓄電池工程車(chē)）統(tǒng)一名稱 類型 容量 充電 放電

電力蓄電池以清潔能源作為動(dòng)力，使用壽命長(zhǎng)達(dá)30年。全壽命周期比相同功率內(nèi)燃工程車(chē)減少碳排放量約2000噸，運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省人民幣約700萬(wàn)元。DC1500V接觸網(wǎng)受流電力蓄電池牽引車(chē)采用雙電源供電系統(tǒng)，在接觸網(wǎng)斷電的情況下可以用蓄電池進(jìn)行動(dòng)力牽引。因此，作為牽引用的蓄電池選型需考慮對(duì)機(jī)車(chē)牽引特性的計(jì)算，對(duì)蓄電池的充、放電性能均需進(jìn)行考慮。本文結(jié)合相應(yīng)電力蓄電池牽引車(chē)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)其牽引用蓄電池類型、容量及蓄電池的放電率等特性進(jìn)行分析。

1 牽引車(chē)的工作原理

1.1 工作原理

牽引車(chē)原理圖如圖1所示。

1.1.1 接觸網(wǎng)供電

采用接觸網(wǎng)供電時(shí)，接觸器KM1閉合、KM2斷開(kāi)、KM3閉合，牽引蓄電池處于充電狀態(tài)。采用牽引蓄電池供電時(shí)，接觸器1斷開(kāi)、接觸器2閉合、接觸器3斷開(kāi)，牽引蓄電池處于放電狀態(tài)。

接觸網(wǎng)供電的額定電壓為DC1500V，最高電壓DC1800V，最低電壓DC1000V，額定功率400kW。

1.1.2 蓄電池供電

牽引蓄電池供電時(shí)，電壓在DC600V～876V之間，電池組額定電量不小于300kWh。

2 蓄電池狀況

目前類似牽引車(chē)牽引蓄電池主要采用鉛酸蓄電池，其體積大、重量大、使用壽命短、對(duì)溫度敏感且易造成環(huán)境污染。電池是一種化學(xué)反應(yīng)，每升高10度，電池壽命縮短一半，如在25度設(shè)計(jì)壽命為15年的電池，在35度的環(huán)境下運(yùn)行壽命只有7.5年，在45度的運(yùn)行環(huán)境下壽命只有3.75年，鉛酸蓄電池工作原理如下：

（1）極板：提供活性物質(zhì)及導(dǎo)電作用;

（2）隔板：防止電池正負(fù)極短路及吸收電解液作用;

（3）電解液：提供離子導(dǎo)電通路。

鋰電池作為新型能源動(dòng)力電池具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、免維護(hù)、無(wú)污染等特點(diǎn)。且相比傳統(tǒng)蓄電池，鋰電池可進(jìn)行信息化管理，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的狀態(tài)和信息化管理。表1是同類型鉛酸蓄電池和鋰電池的對(duì)比。

考慮以上因素，且鋰電池作為新型能源動(dòng)力逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)，選取磷酸鐵鋰電池作為牽引車(chē)牽引蓄電池。

2 對(duì)牽引蓄電池的要求

電力蓄電池牽引車(chē)輔助負(fù)載容量按30kw核算，整個(gè)電池組容量為330kWh，推薦電池使用區(qū)間為10%～90%，即可用容量為330×0.8=264kWh

工況1：牽引車(chē)在蓄電池供電時(shí)牽引1輛45噸的車(chē)輛，在4006o坡道上運(yùn)行。

（1）從0加速到14km/h的加速時(shí)間為7s，牽引蓄電池輸出功率為275kW，此階段所需電量為W1=PT=（275+30）×7/3600=0.593kWh

（2）從14km/h加速運(yùn)行到20km/h的加速時(shí)間為4s，牽引蓄電池輸出功率為379kW，此階段所需電量為W2=PT=（379+30）×4/3600=0.454kWh

（3）以20km/h的速度運(yùn)行10min，牽引蓄電池輸出功率為278kW，此階段所需電量為W3=PT=（278+30）×600/3600=51.333kWh

（4）前三個(gè)階段所需電量總和為W=W1+W2+W3=52.38kWh，電池組剩余電量為W0=264-52.38=211.62kWh。以30km/h的速度輸出功率42kW，輔助負(fù)載功率30kW，1小時(shí)耗電量為42+30=72kWh，則將電池組電量耗完所需時(shí)間T4=211.62/72=2.94h。

電力蓄電池工程車(chē)?yán)m(xù)航約3小時(shí)。

工況2：蓄電池達(dá)到壽命周期即將更換時(shí)，在蓄電池供電時(shí)牽引1輛45噸的車(chē)輛，在平直軌道上運(yùn)行

蓄電池達(dá)到壽命周期即將更換時(shí)，剩余容量為最初容量的80%，此時(shí)，電量剩余為264×80%=211.2kWh，以30km/h的速度輸出功率42kW，外加輔助負(fù)載30kW，1小時(shí)耗電量為42+30=72kWh，則將壽命即將到期的電池組電量耗完所需時(shí)間T4+=211.2/72=2.93h。

工況3：低壓報(bào)警時(shí)，牽引1輛45噸車(chē)輛，在10‰坡道上以20km/h行駛鋰電池理論上可以將電量完全釋放出來(lái)，且對(duì)電池壽命和性能無(wú)影響，此處以設(shè)定電池電量為20%時(shí)報(bào)警為例，報(bào)警時(shí)剩余電量為264×20%=52.8kWh，輸出功率42kw，在10‰坡道上以20km/h速度行駛，加上輔助負(fù)載30kW的情況下，每小時(shí)耗電為42+30=72kWh，則將電池組電量耗完時(shí)間T4-=52.8/72=0.73h，約44min。

3 磷酸鐵鋰電池的充、放電性能

3.1 充電性能

根據(jù)電力蓄電池車(chē)的實(shí)際使用需求，且突出鋰電池的充電優(yōu)勢(shì)，采用快速充電方案，磷酸鐵鋰電池先以恒流80A電流進(jìn)行充電，充電至852V時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電，以恒壓852V充電至電流下限≤21.6A時(shí)結(jié)束充電，在整個(gè)充電過(guò)程中如果某個(gè)單體電池電壓≥3.65V則充電結(jié)束。整個(gè)充電時(shí)間大約6小時(shí)。充電曲線如圖2所示。

3.2 放電性能

鋰電池較傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比放電倍率特性更好，在有效放電區(qū)間范圍內(nèi)電壓變化小。不同廠家、不同型號(hào)的鋰電池放電性能不盡相同，但大體走向曲線趨同，如圖3所示。放電深度均超過(guò)90%。

4 磷酸鐵鋰電池的管理，增加維護(hù)

相應(yīng)的管理系統(tǒng)可以完成單體電池電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、總電流檢測(cè)、系統(tǒng)的極限保護(hù);同時(shí)對(duì)相應(yīng)的電路板電路單元進(jìn)行硬件故障診斷，執(zhí)行相關(guān)的控制指令;負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，匹配硬件完成信號(hào)采集、解析和處理。同時(shí)可配備單獨(dú)的顯示單元用于信息顯示，或使用網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此管理單元的使用，方便蓄電池的檢修、維護(hù)操作等。

5 結(jié)論

本文淺析了一種使用在電力蓄電池牽引車(chē)上的新能源牽引蓄電池——磷酸鐵鋰電池，對(duì)選用條件、容量、充電和放電等相應(yīng)能力進(jìn)行了闡述，并最終選擇了400Ah磷酸鐵鋰電池。采用相應(yīng)的鋰電池除以上簡(jiǎn)述外，其在使用溫度范圍寬、管理系統(tǒng)更智能化等方面的優(yōu)點(diǎn)不在贅述。

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