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摘要 ：城轨车辆采用电池牵引技术主要应用在库内调车或出库， 为提高车辆牵引动力电池的利用率和发挥其最大效能， 将电池牵 引技术被引入到车辆的正线应急自救援， 使得车辆因故障而不能从接触网线正常受流运行时， 可通过电池供电实现在正线线路最 恶劣工况下自牵引至下一站或退行至上一站的目的 。通过对比电池的材料和性能参数， 并研究功能测试， 确定了相同容量下钛酸 锂电池在能量密度 、相对安全性 、使用寿命等方面为牵引动力电池的最优选择 。结果表明： 利用所设计的锂电池管理系统能实现 锂电池的高压安全管理 、能量管理 、故障诊断管理和锂电池状态分析等功能， 避免锂电池过充 、过放， 延长使用寿命; 通过现车 实测数据验证了该锂电池管理系统满足正线区段牵引性能的要求。
关键词 ：锂电池牵引,锂电池管理系统,城轨车辆,应急牵引
Application of Emergency Traction Capacity of Lithium Battery for Urban Rail Vehicles
Chen Bo， Zhao Kongcang， Zhou Yang， Zhang Weijian
(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266111. China)
Abstract: Battery traction technology for urban rail vehicles is mainly adopted to driving in or out of shed . In order to improve its utilization rate and give full play to its maximum efficiency, battery traction technology is introduced into the mainline emergency self-rescue of vehicles that with battery power supply, makes the vehicles on the main line can drive to next station or backwards to last station under the worst working conditions. By comparing its material and performance parameters, as well as the research and analysis of functional tests, the lithium titanate battery with the same capacity is determined as the optimal choice of traction power battery in terms of energy density , relative safety, service life and so on. The results show that by using the designed lithium battery management system, the functions of high voltage safety management, energy management, fault diagnosis management and lithium battery status analysis can be realized, and lithium battery overcharge or overdischarge can be avoided, the service life as well can be prolonged; through the measured data of the current vehicle, it is verified that the lithium battery management system meets the requirements of the traction performance of the main line section .
Key words: lithium battery traction; lithium battery management system; urban rail vehicle; emergency traction
引言
城轨车辆所使用的蓄电池可分为碱性蓄电池 、铅酸 蓄电池和锂电池 3 种， 主要用于车辆 DC110 V 辅助电源和 牵引动力电源。 目前， 国家大力提倡使用新能源电池以减 少对环境的污染， 本文主要对锂电池的电气性能、安全使 用 、寿命分析 、全周期成本等方面进行综合对比和说明， 研究锂电池在城轨车辆中作为应急牵引电源的可行性。
目 前 北 京 地 铁 4 号 线 、 北 京 大 兴 线 、 北 京 16 号线 、 青岛 2 号线 、上海 11 号线等都配备了蓄电池牵引功 能， 并重点研究和分析了蓄电池牵引集成技术[ 1] 。先前 蓄电池牵引功能主要应用于列车出库或库内调车， 由于 库内列车的运行距离短 、运行速度比较低， 为提高列车 牵引动力电源的利用率和发挥其最大使用效能， 减少车 辆在正线故障不能从接触网线正常受流运行时救援等待时间过长的问题， 蓄电池牵引技术被引入到车辆的正线 自救援中 。 由于锂电池具有容量较大 、体积及质量小、 高充放电的特点， 在性能 、机械指标 、寿命 、可靠性及 全周期成本等方面比常用铅酸 、镍镉碱性蓄电池具有很 大的优势[2] 。 目前， 在天津地铁 2 、7 、10 号线配置了锂 电池正线牵引功能 。锂电池牵引技术将成为城轨车辆研 究和应用的重点方向， 该技术的应用可提高应急情况下 车辆自救援的效率， 同时可以缩短或取消车辆正线运行 隧道内的逃生通道， 节约城轨车辆项目的建设成本。
1 锂电池选择
锂电池产品种类较多， 主要按照正/负极材料类型、 电池形状 、封装类型等进行分类 。对比 3 种主流锂电池 钛酸锂电池 、磷酸铁锂电池和三元锂电池的正负极材料 及循环使用寿命等性能参数， 结果见表 1[3] 。 由表可知，三元锂电池能量密度最高， 但是安全系数最低; 磷酸铁 锂电池能量密度次之， 安全系数不高; 钛酸锂电池虽然 能量密度最低， 但相对最安全， 使用寿命长， 在动车组 轻量化设计中已作为辅助电池进行了装车应用[4]， 根据 城轨车辆安全可靠性和长寿命周期的使用要求， 优选钛 酸锂电池应用于城轨车辆中， 已实现城轨车辆在线路最 恶劣工况下通过锂电池牵引至下一站或退行至上一站的 功能要求。
2 锂电池管理系统
在锂电池箱内设置有采集锂电池电压 、温度 、电流 等信息的电池管理系统 ( BMS )， 主要实现高压安全管 理 、电池状态分析 、能量管理 、故障诊断管理等功能， 并通过 MVB 或以太网将电源系统关键参数与整车通信联 系[5]， 从而实现对电池系统安全的有效管理， 避免电池 过充 、过放， 延长电池使用寿命 。 同时， 该系统可与充 电机进行数据交换， 实时控制充电过程， 确保电池使用 过程中的可靠性和安全性[6]， 主要功能如下。
( 1 ) SOC (荷电状态) 估算
采用安时积分方式进行 SOC 估算， 同时综合采用开 机修正 、充放电修正 、 自适应修正等算法， 以提高 SOC 估算的精度[7]， BMS 软件根据电池所处工况自动选择修 正算法完成修正; 修正过程平滑变化 、保证车辆能够稳 定工作; SOC 估算误差小于等于 5%。
( 2 ) SOF (功能状态) 估算
BMS 通过分析电池的 SOC 及所采集的温度， 给出锂 电池允许的充电和放电电流， 同时依据电压及多种故障 因素对允许充放电电流进行修正， 允许充放电电流估算 值稳定 、平滑过渡。
( 3 ) SOH (健康状态) 估算
电池组的 SOH 表征锂电池的健康运行状态， 可为电 池组的维护提供数据支持， 采用将电池实际容量和累积 充放电安时数相结合的方式估算出电池的健康状态， 能 够较准确地评估电池的循环使用寿命和性能， 及时对电 池进行维护和保养。
( 4 ) 故障报警及故障分级管理
BMS 系统具有锂电池电流 、电压 、温度等多种故障 的报警功能， 故障报警阀值是根据所选锂电池的技术参 数确定的 。BMS 根据采集的电池数据和监控的各类输入 输出信号， 结合一定的逻辑判断准确地识别和给出各类故障信息 。 电池组故障报警管理的目的是实时监控电池 组的故障状态， 及时准确地给出所有故障信息， 使电池 组在安全的条件下发挥最大性能。
( 5 ) 均衡控制
检测单元 BMU 通过电阻可以对任何一个单体电池进 行不小于 30 mA 电流的放电均衡。
考虑电池组保护系统对电气安全隔离的基本需求， 电压检测模块 、均衡控制模块都进行了模块化隔离设计， 将高压部分同低压部分区域实现电气安全隔离[8] 。温度 检测模块也进行了隔离设计， 同时对电池组进行有效温 度控制， 使其处于适合温度范围， 电池温度过高或温差 过大都会影响电池使用性能和寿命[9]。
( 6 ) 数据通信
电流采集传感器 、电压采集传感器对电池系统的充 放电电流和总电压等数据进行采样， 构成系统闭环控制。 BMS 系统具备 MVB 和以太网通信接口， 与整车 TCMS 通 信实现数据交互, 将采集数据传输至 TCMS 显示屏， 进行 异常状态的预警提示; 以太网用于蓄电池诊断以及和整 车健康管理系统通信。
3 锂电池控制及性能计算
3.1 锂电池牵引控制
考虑整车的轴重及均衡， 以及在应急情况下的牵引 能力要求， 在中间 M1/M2 车各配备 1 组锂电池牵引系统 和锂电池充电机， 在图 1 拓扑为 DC1500V 高压输入， 可 靠的电压输入是保证该拓扑可靠运行的关键[ 10] 。在锂电 池牵引时， 需降弓与接触网断开， 将锂电池输出投入至 列车母线， 牵引逆变器利用锂电池电压驱动牵引电机进 行牵引 。锂电池牵引的配置及控制原理如图 1 所示。
牵引蓄电池箱中接触器 KM1 、KM2 作为锂电池的上 电接触器[7]; 在锂电池上电和断电时， 由 BMS 控制接触 器 KM1 、KM2 的闭合和断开; 熔断器 FU1 、FU2 对整个 电池系统进行过载和短路保护。
列车处于静止且蓄电池转换开关无故障时， 通过 TCMS 网络评估 2 组牵引逆变器 ( VVVF ) 都收到牵引允 许信号， 给出蓄电池牵引激活信号并驱动蓄电池牵引电 动开关， 从而实现车辆通过锂电池牵引运行[ 11] 。锂电池 应急牵引的逻辑控制采用网络和硬线同时参与， 确保了 控制的可靠性和操作的安全性。
3.2 锂电池牵引性能要求
城轨车辆采用锂电池进行应急牵引， 在 AW0 ~ AW3 载荷状态下具备运行至下一站或退回至上一站的能力， 同时可用于段场内的日常调车作业[ 12] 。本文锂电池容量 的基本选用以 6 编组为例， 需要保证电池寿命期内满足 常用技术指标， 具体如下。
( 1 ) AW0 空载
列车在平直道运行线路的最高运行速度需大于等于 20 km/h， 最大运行距离需大于等于 1 000 m; 启动加速 度需大于等于 0.35 m/s2.
( 2 ) AW3 超员
列车在运行线路的最高运行平均速度需大于等于 5 km/h， 在正线平直线路运行平均速度需大于等于 15 km/ h， 最大运行距离需大于等于 800 m; 启动加速度需大于 等于 0. 1 m/s2.
3.3 锂电池牵引容量仿真
车辆正常牵引是通过接触网 DC1 500 V 供电， 在采 用锂电池供电时需要综合考虑电压 、电量以及牵引性能 关系， 通过相应仿真计算[ 13]， 锂电池 400 V 牵引时， 牵 引效率相比 300 V 牵引时最大启动电流小， 效率高， 具 体见表 2.
锂电池的输出电压越大， 牵引时效率越高， 但是考 虑锂电池的电量 、模组配置以及质量， 为寻求实现轻量 化设计的最佳平衡点[4]， 在满足需求情况下容量也不宜 配置过大 。按照 DC460 V 锂电池输出对车辆牵引进行仿 真， 结果如图 2 、表 3 所示。
按照锂电池 DC460 V 输出对车辆牵引， 载荷 AW3 时 速度为 5. 1 km/h， 牵引距离为 800 m 。锂电池牵引的最大启动电流为 375 A， 持续平均电流为 179 A， 运行时间为 580 s， 1 组蓄电池牵引能耗 W1=9.6 kW ·h 。按照低温系 数为 0.8 、寿命系数为 0.8. 15% 的设计裕量计算 M1 、M2 车牵引蓄电池的能耗， 则 W2= 17.6 kW ·h。
考虑 车 辆 中 还 有 风 机 供 电， 需 要 能 耗 0.4 kW · h， 整列车需要在 M1 、M2 车配置蓄电池电量应大于等于 18.0 kW ·h。
3.4 锂电池参数
根据上述计算结果， 所选 M1/M2 车钛酸锂电池参数 配置如表 4 所示。
4 线路数据应用测试
为对上述锂电池牵引的仿真计算及所选参数进行充 分验证， 在所配置的样车上进行 AW3 载荷下的数据测 试， 具体测试数据如图 4 ~ 5 所示 。 由图可知， AW3 工况 下在平直道和 30‰ 坡道上， 总电压 、放电电流及剩余电 量数据基本与仿真计算一致， 满足车辆在该线路条件下 的后续使用要求。
5 结束语
通过分析锂电池， 得出钛酸锂电池更适合作为车辆 的牵引动力电源应用于城轨车辆; 配置功能可靠的能量 管理系统能实时采集电池的电压 、温度 、电流等信息和 分析电池的状态， 将采集数据传输至 TCMS 显示屏进行 异常状态的预警提示 。锂电池应急牵引的逻辑控制采用 网络和硬线同时参与的方式， 确保了控制的可靠性和操 作的安全性; 通过牵引性能计算和实际数据验证， 选用 输出 DC460 V 的锂电池作为车辆牵引动力电源， 在平直 轨道和 30‰ 坡道上的最高运行速度和距离均满足用户需 求， 同时验证了载荷 AW0 ~ AW3 状态在正线线路最恶劣 工况下能实现自牵引至下一站或退行至上一站 。所得结 论为城轨车辆大量采用锂电池作为动力牵引和辅助供电 的设计和研究提供了一定的参考。
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