龍 源

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

1 引言

輔助電池系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,是軌道交通車輛不可缺少的重要部件之一，對(duì)車輛正常運(yùn)營(yíng)具有重要影響。其在軌道交通中的主要應(yīng)用場(chǎng)景有以下幾個(gè)。

(1)在車輛啟動(dòng)時(shí)，利用輔助電池電源激活列車。進(jìn)而為升受電弓、合主斷路器等操作過(guò)程中的接觸器、繼電器配置動(dòng)作提供啟動(dòng)能量[1]。

(2)作為內(nèi)燃動(dòng)力包啟動(dòng)電源，在內(nèi)燃動(dòng)力包啟動(dòng)過(guò)程短時(shí)高倍率放電。

(3)當(dāng)整車在運(yùn)行過(guò)程中外部電源或者車載直流輔助供電電源發(fā)生故障或切斷時(shí)，依靠輔助電池向整車的重要和應(yīng)急的負(fù)載(如照明、緊急通風(fēng)、門控系統(tǒng)等)供電，是整車最后一道供電保障。

(4)當(dāng)整車在外部電源切斷時(shí)，依靠輔助電池向整車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、控制電路回路、照明、等部件提供電源。確保整車維護(hù)、檢修過(guò)程的安全、便捷[2]。

(5)另外，整車正常運(yùn)行時(shí)輔助電池并入直流輔助回路也有利于穩(wěn)定直流電源的輸出電壓。

近年來(lái)軌道交通技術(shù)在快速發(fā)展，對(duì)輔助電池能量配置、功率配置、溫度適應(yīng)性、安全性、功能擴(kuò)展等方面也提出了更高的要求。本文將針對(duì)軌道交通輔助電池的應(yīng)用情況、主要技術(shù)特點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展方向等方面開(kāi)展論述。

2 輔助電池應(yīng)用分類和比較

2.1 電池分類

輔助電池隨著電池的技術(shù)發(fā)展而不斷變化，在最初始采用鉛酸電池[3]和鎳鎘電池[4]作為輔助電池，這兩種電池性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便、不需要額外的管理系統(tǒng)或者附加電子器件對(duì)電池進(jìn)行管理。

隨著對(duì)環(huán)保和安全的要求越來(lái)越高，以及車輛對(duì)輔助電池的功能和容量的要求也越來(lái)越多。鎳氫電池由于其安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、抗濫用(過(guò)度充放)能力強(qiáng)[5]等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多的得到應(yīng)用。[6]鋰電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)接近成熟，在軌道交通應(yīng)用也發(fā)展迅速。鋰電池在軌道交通動(dòng)力電源[7]、應(yīng)急牽引等應(yīng)用場(chǎng)景也發(fā)揮著重要的作用[8]。

另外二次電池中還有很多其他電池種類，由于成本經(jīng)濟(jì)性(如氧化銀電池、鎘銀電池、氫電極電池)、能量密度(如鎳鐵電池)、循環(huán)壽命(如鎳鋅電池、氧化銀電池、鋅/二氧化錳電池)等原因尚未在軌道交通的輔助電源形成規(guī)模應(yīng)用。

2.2 電池比較

由于電池的具體性能與電池的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、特定使用環(huán)境和充放電條件密切相關(guān)。同時(shí)，每一種電池根據(jù)正負(fù)極材料、極板類型、單體密封形式、電解液封裝形式等局部材料、結(jié)構(gòu)差異會(huì)有更為細(xì)致的電池類型劃分，電池類型紛繁多樣。

因此，本文對(duì)電池的比較主要從定性角度近似比較，從橫向角度看出每一種電池的性能特點(diǎn)。電池特性比較如表1所示。

表1 不同電池特性比較[9]Table 1 Comparison of different battery characteristics[9].

各種電池綜合性能比較如表2所示。電池的特性各異，針對(duì)不同蓄電池類型的選擇，需要根據(jù)整車運(yùn)營(yíng)工況要求、電池特性和綜合成本選擇電池配置方案。

表2 不同電池綜合性能比較Table 2 Comparison of comprehensive performance of different batteries.

3 輔助電池系統(tǒng)技術(shù)要求

3.1 輔助電池系統(tǒng)組成

輔助電池系統(tǒng)通常由蓄電池單體、模塊、電池支架、托盤、箱體等全部或者部分部件組成，圖1是一個(gè)典型的輔助電池系統(tǒng)示例[10,11]。

圖1 輔助電池系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of auxiliary battery sycomposition.

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.2.1 內(nèi)部布置結(jié)構(gòu)

輔助電池系統(tǒng)的機(jī)械接口主要包括電池系統(tǒng)在車上的安裝位置、箱內(nèi)布置結(jié)構(gòu)、通風(fēng)接口等。

電池系統(tǒng)通?？梢愿鶕?jù)整車設(shè)備布置情況安裝在車頂、車內(nèi)機(jī)械間以及車下屏柜內(nèi)。電池箱內(nèi)依據(jù)托盤與箱體的接口形式主要分為固定式安裝、滑動(dòng)式安裝、滾動(dòng)式安裝三種方式。詳見(jiàn)圖2[11]。

圖2 電池三種安裝結(jié)構(gòu)示意圖。(a)固定式安裝；(b)滾動(dòng)托盤安裝；(c)滑動(dòng)托盤安裝Fig.2 Schematic diagram of three battery installation structures.(a) Fixed installation;(b) Rolling tray installation;(c) Sliding tray installation.

3.2.2 通風(fēng)要求

電池系統(tǒng)通風(fēng)的作用主要有兩個(gè)：

1.防止鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池在使用過(guò)程中溢出的氫氣聚集，根據(jù)IEC 62485-2:2010標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算通風(fēng)流量，確保氫氣濃度低于4%；

2.對(duì)電池進(jìn)行散熱冷卻。通常輔助電池功率比較小，對(duì)散熱冷卻的需求不大。建議首選自然通風(fēng)的方式。鋰離子電池在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有析氫要求，可以根據(jù)實(shí)際工況選擇采用無(wú)通風(fēng)形式結(jié)構(gòu)。

3.2.2 安全與防護(hù)

電池的托盤或者箱體應(yīng)該能夠承受電解液腐蝕(如鉛酸電池的酸性電解液、鎳鎘電池的堿性電解液等)，并從結(jié)構(gòu)上防止電解液流動(dòng)到箱外等其他區(qū)域。

隨著車輛安全等級(jí)要求越來(lái)越高，電池系統(tǒng)防火等級(jí)要求也在提升。電池系統(tǒng)防火涉及到材料阻燃性、煙霧產(chǎn)生程度和低毒/無(wú)毒性的相關(guān)要求，通常電池的電解液等材料為導(dǎo)電、易燃的材料，電池系統(tǒng)需要從箱體結(jié)構(gòu)層面開(kāi)展防火設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火、煙、毒氣的有效隔斷[12]。

針對(duì)富液式鉛酸蓄電池和鎳鎘電池的加液系統(tǒng)需設(shè)置阻火器，以防止外部火焰或火花進(jìn)入電池，從而導(dǎo)致內(nèi)部爆炸，從而導(dǎo)致電解液飛濺。

3.3 電氣接口

輔助電池系統(tǒng)的電氣接口主要包括與地面電源、車載充電機(jī)、輔助負(fù)載的相關(guān)接口。根據(jù)不同整車需求和電池類型有不同的接口配置，例如鋰離子電池的電池管理系統(tǒng)就相對(duì)增加了管理系統(tǒng)(BMS)的供電接口、通訊接口和控制保護(hù)電路接口[13]。典型的輔助電池系統(tǒng)電氣接口如下圖3。

圖3 電氣接口示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrical interface installation.

蓄電池溫度傳感器的作用主要是監(jiān)測(cè)電池溫度，用于蓄電池充電時(shí)的溫度補(bǔ)償。二次電池的充電容量受到工作溫度的影響，當(dāng)電池溫度較低時(shí)，需要較高的充電電壓;當(dāng)電池溫度超過(guò)允許工作溫度范圍(如鉛酸電池)時(shí)需要停止對(duì)電池系統(tǒng)充電。電池系統(tǒng)通常需要配置溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度傳感器安裝位置接近蓄電池內(nèi)部電解液溫度區(qū)域(如電池極柱、接線端子、電池表面等)。保護(hù)熔斷器和隔離開(kāi)關(guān)主要用于當(dāng)電池過(guò)溫、過(guò)充、饋電等故障狀態(tài)時(shí)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行隔離和保護(hù)。

有些國(guó)家地區(qū)(如日本等)的鎳鎘電池、鎳氫電池等沒(méi)有配置相應(yīng)的溫度傳感器，也沒(méi)有充電溫度補(bǔ)償功能。這種情況下通常采用低溫加熱、高溫保護(hù)切除等措施，同時(shí)在電池選型計(jì)算時(shí)需要考慮電池缺少溫度補(bǔ)償功能導(dǎo)致的額外電池能量配置要求。

3.4 系統(tǒng)環(huán)境條件

輔助電池首先應(yīng)該滿足軌道交通所運(yùn)營(yíng)的實(shí)際線路和對(duì)應(yīng)的環(huán)境氣候條件要求，另一方面，電池的性能和壽命又與環(huán)境條件息息相關(guān)。環(huán)境條件包括溫度、濕度、電氣絕緣、海拔、振動(dòng)與沖擊環(huán)境等。按照軌道交通標(biāo)準(zhǔn)要求，輔助電池的環(huán)境條件主要滿足如下表示(表3)要求。

表3 環(huán)境條件要求Table 3 Environmental requirements.

具體應(yīng)用中的溫度、濕度、海拔等條件可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)整。

3.5 系統(tǒng)電壓范圍

直流輔助供電系統(tǒng)按照電壓等級(jí)區(qū)分為不同等級(jí)，所有直流輔助負(fù)載需要在各電壓等級(jí)范圍內(nèi)正常工作。根據(jù)IEC62973-1：2018和IEC60077-1:2017標(biāo)準(zhǔn)要求，目前世界上直流輔助供電電壓主要分類如下表示(表4)。

表4 電壓范圍Table 4 Voltage range.

24 V、72 V、110 V電壓等級(jí)在世界上應(yīng)用較為普遍。中國(guó)的機(jī)車、動(dòng)車組、地鐵車輛普遍應(yīng)用110 V輔助電壓等級(jí)，24 V電壓等級(jí)也在有軌電車、調(diào)車機(jī)車、無(wú)軌電車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。另外，在日本87 V電壓、北美64 V電壓等特殊電壓等級(jí)范圍也在其特定國(guó)家區(qū)域的軌道交通領(lǐng)域得到應(yīng)用。

值得一提的是，電池標(biāo)準(zhǔn)電壓的作用更多只是用于按照電壓等級(jí)區(qū)分直流輔助系統(tǒng)，并不等同于輔助電池系統(tǒng)的額定電壓。電池的電壓特性總是隨著放電過(guò)程而逐漸下降，隨著充電過(guò)程而逐漸上升，并不會(huì)在運(yùn)用過(guò)程中長(zhǎng)期處于恒定的某一電壓值。電池系統(tǒng)最重要的特性指標(biāo)就是確保電池系統(tǒng)在直流負(fù)載的最高電壓和最低電壓范圍內(nèi)，為直流負(fù)載提供所需要的能量。

由于不同電池的額定電壓不同(如鉛酸電池2.0 V額定電壓，鎳鎘電池1.2 V額定電壓)，電池系統(tǒng)的單體電池配置數(shù)量主要取決于其工作條件和電池特性。

3.6 電池系統(tǒng)配置

輔助電池的性能需要滿足整車的運(yùn)用工況要求。因此，電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初需要結(jié)合整車工況需求對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)更好的性能。[14]

1.確保電池系統(tǒng)的能量、功率等性能滿足整車工況需求；

2.確保電池系統(tǒng)滿足整車使用壽命的要求；

3.避免電池系統(tǒng)的能量和功率超過(guò)整車工況需求而造成電池系統(tǒng)的性能過(guò)剩、系統(tǒng)重量和體積的增加以及系統(tǒng)成本的增加。

電池系統(tǒng)的匹配需要結(jié)合電池的溫度、容量、電壓、負(fù)載情況等實(shí)際條件綜合考慮分析。電池配置所需要的輸入條件如下表示(表5)。

表5 電池系統(tǒng)配置的輸入條件Table 5 Input conditions for battery system configuration.

(1)標(biāo)注b的為日本市場(chǎng)軌道交通電壓范圍，遵循JIS E 5004-1標(biāo)準(zhǔn)。

3.7 系統(tǒng)充電

不同的電池類型的充電特性各不相同。通常采用先恒流-再恒壓的充電方式，恒流充電階段的主要目的是在電池容量較低時(shí)以較大的電流充電以縮短充電時(shí)間，同時(shí)避免電池在容量偏低時(shí)的電流過(guò)大影響電池壽命和特性；恒壓充電階段的主要目的是當(dāng)電池容量較高時(shí)持續(xù)以較小電流向電池充電，同時(shí)避免電池過(guò)壓導(dǎo)致電池故障。鎳氫電池由于其充放電倍率高、電池耐過(guò)充性能優(yōu)良，采用恒流充電方式既可以滿足充電特性需求。圖4是一個(gè)典型的鎳鎘電池按照先恒流-再恒壓充電策略的特性曲線。

圖4 典型的鎳鎘電池充電特性曲線Fig.4 Typical Ni-Cd battery charging characteristic curve.

電池系統(tǒng)溫度的檢測(cè)精度可能受到傳感器類型、傳感器電纜壓降、傳感器安裝位置、溫度采集模塊的影響。如果輔助電池的充電過(guò)程對(duì)溫度敏感程度高，則需要在輔助電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮到相關(guān)因素對(duì)檢測(cè)精度的影響，并在充電階段采取補(bǔ)償措施。

3.8 系統(tǒng)放電

除了正常滿足車輛工況條件下的放電過(guò)程。電池系統(tǒng)還存在特殊情況下的深度放電(放電容量超過(guò)了正常設(shè)計(jì)值)工況。深度放電可能會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)壽命減少(如鉛酸電池)、可用容量降低(如鎳鎘電池)、電池?zé)崾Э匾鸹馂?zāi)(如鋰電池)等風(fēng)險(xiǎn)。

通常電池系統(tǒng)需要配置低壓隔離保護(hù)裝置，避免電池系統(tǒng)深度放電。同時(shí)，在深度放電后采用合適的電池充電方案(各電池廠商方案)，能夠有效恢復(fù)可用容量等性能。

3.9 存儲(chǔ)和運(yùn)輸

富液式鉛酸電池和鎳鎘電池在運(yùn)輸過(guò)程中通常需要確保電池極柱朝上垂向固定，以避免電解液泄露。

通常電池存儲(chǔ)環(huán)境要求室內(nèi)干燥，清潔，無(wú)太陽(yáng)直射的環(huán)境。需要斷開(kāi)電池與其他電氣元件(如管理系統(tǒng)、負(fù)載、充電機(jī))的電氣連接。電池的存儲(chǔ)時(shí)的荷電狀態(tài)取決于各電池特性。如鉛酸電池、鋰電池通常要求以高于一定電池容量下進(jìn)行存儲(chǔ)，并進(jìn)行定期充電。鎳鎘電池則建議電池以完全放電狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。

3.10 系統(tǒng)試驗(yàn)

電池系統(tǒng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證其滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，不同類型的電池有不同的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)。電池系統(tǒng)主要試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)如下表示(表6)[15]。

表6 電池試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)Table 6 Battery test items.

4 總結(jié)與展望

輔助電池系統(tǒng)是軌道交通車輛中必不可少的部件之一，隨著軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展，輔助電池系統(tǒng)也從原來(lái)單一的備用應(yīng)急輔助電源功能轉(zhuǎn)向?yàn)楦喙δ艿膬?chǔ)能系統(tǒng)。從目前應(yīng)用情況來(lái)看，輔助電池系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向主要有：

(1)更高的能量配置。隨著軌道交通的發(fā)展，大容量的輔助電池能夠在整車斷電時(shí)的檢修維護(hù)工作提供更長(zhǎng)輔助負(fù)載的供電時(shí)間，軌道交通也要求在整車外部電源故障切斷時(shí)能夠?yàn)槌丝吞峁└踩煽康目褪噎h(huán)境(緊急通風(fēng)、緊急照明等)。因此大容量的輔助電池系統(tǒng)是未來(lái)的重要發(fā)展方向。

(2)更多的功能擴(kuò)展。輔助電池越來(lái)越多的承擔(dān)著輔助供電之外的功能。電力機(jī)車?yán)幂o助電池為庫(kù)內(nèi)動(dòng)車提供動(dòng)力電源[16]；日立公司的有軌電車?yán)秒姵靥Ц咧绷髂妇€電壓以提升整車再生制動(dòng)功率[17]。地鐵利用輔助電池作為應(yīng)急動(dòng)力電源，驅(qū)動(dòng)地鐵列車應(yīng)急牽引等功能[18]。

(3)混合系統(tǒng)。內(nèi)燃動(dòng)力包啟動(dòng)時(shí)需要很大電流。采用超級(jí)電容與輔助電池共同為內(nèi)燃動(dòng)力包提供啟動(dòng)電源的方式，能夠有效實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下內(nèi)燃動(dòng)力包的啟動(dòng)，延長(zhǎng)電池使用壽命[19]?？梢韵胍?jiàn)，隨著輔助電池系統(tǒng)功能的豐富和擴(kuò)展，混合系統(tǒng)也將得到更多的應(yīng)用。

(4)動(dòng)力電池和輔助電池融合集成。動(dòng)力電池越來(lái)越多的在軌道交通領(lǐng)域得到應(yīng)用，雖然動(dòng)力電池和輔助電池在運(yùn)用工況、系統(tǒng)配置方面存在較大差異，但動(dòng)力電池性能能夠向下兼容輔助電池。將動(dòng)力電池與輔助電池匹配集成，能夠提升輔助系統(tǒng)性能(延長(zhǎng)電池放電持續(xù)時(shí)間和提升電池放電功率)，并有效減少設(shè)備安裝空間和重量、降低系統(tǒng)采購(gòu)成本、減少電池系統(tǒng)檢修維護(hù)工作量。

龍?jiān)?男,碩士研究生學(xué)歷,湖南漣源人,高級(jí)工程師,就職于中車株洲電力機(jī)車有限公司,研發(fā)經(jīng)理,主要研究軌道交通新能源技術(shù)方向。