地铁车辆供电蓄电池合理选型分析

2013-09-07

中国新技术新产品 2013年5期

（唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山 063035）

1 概述

地铁车辆电气系统设计中，蓄电池组参数的确定及电池箱的设计是电气系统中一个比较重要的子系统。在地铁车辆特殊的运营模式下，作为紧急负载供电电源，蓄电池主要功能如下：

1.1 车辆在运行过程中在列车启动前激活各控制系统，同时为辅助逆变器提供控制电源。在线路电网无网压或带充电机的辅助逆变器全故障不工作情况下，蓄电池为车上应急照明、与安全有关的网络控制系统、车辆的全部通信设备（包括PIDS、广播、无线电等）以及紧急通风设备、门控设备等提供紧急供电电源，维持规定的紧急供电时间，满足乘客安全逃生与供电需求。

1.2 在降弓状态下为地铁车辆DC110V（以B型地铁为例）控制电路、照明、网络控制系统、PIDS系统等低压设备提供DC110V电源，保证地铁车辆升弓并投入工作。

1.3 地铁车辆正常运行中，蓄电池和辅助逆变器的充电机共同为DC110V控制母线供电，起到滤波作用，降低控制母线电源的纹波系数，提高母线电源的质量。

因此，正确选用蓄电池型号、组个数、确定其参数，对地铁车辆辅助供电系统的设计有重要的意义。

2 蓄电池选型原则

地铁车辆蓄电池的选型一般遵循以下步骤：

2.1 按照车辆采购要求计算紧急工况下直流负载的总功率。

2.2 选取符合要求的蓄电池类型，并依照业主当地的气候条件和合同要求确定所选蓄电池的温度补偿系数、老化效率和充电效率。

2.3 计算所选蓄电池的实际所需容量，确保在其使用寿命终止时能够满足合同要求。

紧急负载是地铁车辆在运营过程中最大的110V直流负载。紧急状态下完全由蓄电池供电，一般要求供电维持时间为45min。在选型时，首先应计算地铁车辆紧急负载功率，然后根据该功率的大小、地铁车辆的运用条件、电池的性能参数等条件计算蓄电池的容量。按照具体型式的电池性能参数计算出电池组的容量数据.结合电池组对地铁车辆运用条件(如温度、湿度、抗震、耐过充过放、与110V直流电源的匹配、可维护性、环境保护、人身安全、体积、质量等)的适应性进行比较.确定最适合的电池容量值。

3 蓄电池容量计算

蓄电池计算容量主要取决于车辆在紧急工况下，应急用电设备的总功率和应急供电的总时间，再结合蓄电池自身低温修正系数及放电深度等因素，最后对计算结果进行修正。

3.1 车辆紧急工况下用电设备总功率统计（参考某B型车项目）

在45min内持续为以下应急负载供电：全部紧急照明、全部头灯和尾灯、所有与安全有关的控制系统、全部通信设备（包括列车广播、车载无线电等）、客室紧急通风、所有客室侧门的一次开关。供电45min后蓄电池的电量足以使列车再次启动。紧急负载功率参数如表1。

考虑DC110V/DC24V变换器的变换效率η约为0.85，若折合为DC110V的功率为：0.46kW/0.85=0.54 kW

3.2 车载蓄电池总容量计算

式中：P-蓄电池所带负载总功率，W；U-直流系统额定电压，V；T-应急时间，h。

蓄电池单节浮充电压为：1.45V～1.55V取1.55V

DC110V电压范围为：77V～121V取121V

蓄电池单体额定电压：1.2V

蓄电池单体放电终止电压：不大于1.05V

蓄电池单体放电平均电压：（1.2+1.05）/2=1.125V

因为每组所需蓄电池数量的确定还需考虑其他因素，所以不能简单地确定为110÷1.2＝91节。

根据电气设计经验，并咨询国内资深蓄电池设计师，认为按照下述公式进行浮充蓄电池数量的选择是比较合理的：

Ni=Uc/Uj=121/1.55=78.06，所以蓄电池取78只。

式中：Ni-蓄电池数量，节；Uc-车辆低压系统允许最大电压，V；Uj-单节蓄电池浮充电压，碱性蓄电池取Uj=1.55V/节；

整个蓄电池组额定电压为：1.125V×78=87.75V。

但是如果按此数量设计，则蓄电池组总体电压偏低，一旦充电机停止工作，仅靠蓄电池供电，用电时间不长，可能使车上欠压保护动作，造成车上检测系统工作的错误，带来不必要的损失。作为修正，增加2节蓄电池，同时适当提高充电机的充电电压U。这样，U=（1.45～1.55）×80=116～124，取较高的124V作为充电电压。因此，每组蓄电池数量为80节，则蓄电池组电压为：

蓄电池组额定电压：1.125×80=90V

浮充电电压：1.45×80=116V

放电终止电压：1.05×80=84V

蓄电池组的浮充电电压略小于辅助逆变器的充电机输出电压，这与充电系统的输出电压是匹配的。

蓄电池放电电流为：I=P/U=（22.776+0.54）/90=259.1A

根据地铁车辆应急供电要求，T=45分钟，即0.75h，这样计算，C0=194.325Ah

在应急工况下，列车侧门开/关一次，负载瞬时为17.6KW，开/关门一次时间最多T=10s，

蓄电池电压取放电终止电压84V，则开/关门一次实际需要消耗蓄电池的容量为：

在紧急工况下，列车受电弓升/降弓一次，升/降弓瞬间负载为P4=0.8kW，升弓一次使用时间最多为8s，降弓一次使用时间最多为7s，T=15s；蓄电池电压取放电终止电压84V，则在应急工况下，受电弓升/降一次实际需要消耗的蓄电池的容量为：

对于蓄电池实际所需容量Cj（单位：Ah），应考虑各种因素进行修正，其计算公式为：

式中：λ1-温度修正系数，取λ1=0.9；λ2-充电效率，取 λ2=0.9；λ3-蓄电池老化系数，取λ3=0.8；λ4-蓄电池大容量放电系数，取 λ4=0.9；

因此，列车蓄电池总容量确定为333.205Ah。考虑到蓄电池容量要有10%冗余，列车一般选用两组容量为180Ah的中倍率、免维护蓄电池，每蓄电池组含80节，作为应急直流电源。

4 确定蓄电池类型

4.1 酸性蓄电池和碱性蓄电池的性能比较

目前在铁路机车、客车上普遍使用的蓄电池有2种：一种是阀控式密封铅酸蓄电池，一种是少维护镉镍碱性蓄电池。与铁路上传统的富液式酸性蓄电池及铁壳普通镉镍碱性蓄电池相比，它们都具有使用寿命长、少维护、不漏液、终身无需换液等优点，但其整体性能有所不同，见表2

4.2 镉镍碱性蓄电池的优势

由上表可以看出，要获得同等电压等级，铅酸蓄电池所需总数量较少，因而占用较小的空间，但镉镍碱性蓄电池在快充能力、放电深度、使用寿命、低温性能和可靠性方面具有更明显的优势。在地铁车辆实际运营中，蓄电池组的可靠性尤为重要。

4.2.1 耐过充、过放电能力

辅助逆变器（带充电机）对蓄电池的充电方式为恒压限流式，铅酸蓄电池允许的充电、放电电流较小（最高0.3C10A），长期以大电流反复充电会造成蓄电池的慢性损伤；镉镍碱性蓄电池则较能耐大电流充电（最高1C5A），同时比铅酸蓄电池能耐大电流放电。车辆在检修时极有可能造成蓄电池亏电，这将对铅酸蓄电池造成极大的损害，而镉镍碱性蓄电池即使亏电至电压为零也能恢复正常使用。

4.2.2 适应环境能力

镉镍碱性蓄电池的一个突出优点是低温特性好，在-40℃的环境温度下，电池容量仅减少40%～50%；而酸性蓄电池在-40℃的环境温度下，蓄电池容量会减少到25%。某些铁路局的轨检车技术条件中明确要求整车使用环境为-40℃～50℃，因此从耐低温性能考虑，宜选用碱性蓄电池。在耐高温方面，2种蓄电池的差异有：由于2种蓄电池的化学原理不同，阀控式密封酸性蓄电池不能通过失水的方式散发热量，在过充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，可能导致蓄电池热失控，电池的外壳会起包、漏气；镉镍碱性蓄电池不存在热失控的现象。

4.2.3 带故障运行能力

如果某节铅酸蓄电池因热失控而损坏，相当于这节蓄电池开路，这时整个蓄电池组相当于开路，会失去作用。如果某节蓄电池由于误接或其他原因造成短路，由于电池组少了一节蓄电池，造成蓄电池组的其他蓄电池上的浮充电压接近于最高限压值（2.4V），而这些蓄电池的浮充电压并不是完全相等，一旦某节蓄电池上的浮充电压超过最高限压值，这节蓄电池就会很快发生热失控现象，如此将产生连锁反应，损坏所有蓄电池。

由于镉镍碱性蓄电池不存在热失控现象，因此一般不可能出现单节蓄电池开路的情况。如果某节蓄电池由于误接或其他原因造成短路，相当于整个蓄电池组少了一节电池，由于碱性蓄电池的浮充电压范围较宽，因此对蓄电池没有影响，而蓄电池组的电压也只是下降1V～1.2V，仍然可以维持故障运行。

4.2.4 蓄电池寿命

循环试验数据显示，镉镍碱性蓄电池的循环寿命是阀控式密封铅酸蓄电池的1.5倍～2倍。从以上几方面综合考虑，镉镍碱性蓄电池更为优越。同时，通过初步统计目前在运营的各地铁项目，车辆配置碱性蓄电池的项目明显比配置酸性蓄电池的项目多。