现代导轨电车牵引电池包技术特点及实际运行故障简析

胡寿建　钱广民



现代导轨电车牵引电池包技术特点及实际运行故障简析

胡寿建钱广民

介绍天津开发区新交通试验线现代导轨电车所采用的 SAFT 牵引电池包的主要技术特征，并对电池包的镍氢电池模块、电池包控制单元（BMC）及电池包温度管理系统（BTMS）的主要技术特征进行了详细阐述。还介绍了牵引电池包实际运行状况，梳理和总结了该电池包存在的各类典型故障，为国内其他采用牵引电池包动力模式的有轨电车线路提供借鉴和参考。

牵引电池包；镍氢电池模块；电池包控制单元；电池包温度管理系统；运行状况；故障分析

0　引言

随着石油危机和环境污染的加剧，人们普遍认识到绿色环保车辆是未来地面交通的发展方向。在国内城市公共交通中，大运量的地铁、轻轨在这几年突飞猛进的发展；同时，在小运量的公交车中出现了纯电动公交车。这类纯电动公交车所选用的电池类型中，锂电池、超级电容及镍氢电池均有应用，但受限于公交车牵引功率，这类电池普遍为小功率电池，电池组电压也一般均在 408 V 以下，大功率、电池组电压在 500 V 以上的电池组在国内甚少应用。

天津开发区新交通试验线为我国首条现代有轨电车线路。由于地形的限制，在其正线线路中存在 1 段无网区（220 m），因此，该线路选用法国劳尔公司生产的Translohr 自身带有牵引电池包的胶轮导向电车（现代导轨电车）。在无接触网模式下，牵引电池包可以为车辆提供牵引动力。该牵引电池包采用法国 SAFT 公司生产的单体达 34 A·h镍氢电池模块，电池包额定电压 526 V，最大电压 660 V。

下面将结合该型电池包的技术特征和实际运营中发生的典型故障进行介绍。

1　SAFT牵引电池包技术特征

新交通试验线每辆 T r a n s l o h r 电车均配备 1 个 NHP10-340×44 型电池包，安装在车辆顶部的密闭箱体内（图1）。牵引电池包主要由镍氢电池模块(NHP)、电池包控制单元（BMC）和电池包温度管理系统（BTMS）3 个部分组成。其具体参数见表 1。

图1　牵引电池包在 Translohr STE3 电车位置示意图

1.1镍氢电池模块

箱体内包含 44 个 10-340 型 NHP 串联模块，每个单体模块均含有 10 个电池，每 22 个模块分别组装在 2 个插架上（图2）。

（1）所有镍氢电池模块成 3 或 4 排排列，并由保护帽保护。

（2）每个单体模块由 10 个电化学电池串联组成，电压为 12 V。

表1　牵引电池包基本性能参数

图2　牵引电池包镍氢电池模块及插架组成

图3　镍氢电池模块内部循环回路

（右边为镍氢电池模块单只电池循环回路）

（3）每个镍氢电池模块内部都有复杂的循环回路，并与电池包温度管理系统的制冷或加热回路相连，以增加其冷却或散热能力（图 3）。

（4）在连接处固定的传感器可以测量每 2 组模块的电压和温度。电压传感器和温度传感器的测量值由专用信息采集卡进行收集，并传送给电池包控制单元。

1.2电池包控制单元

电池包控制单元（BMC）是牵引电池包的大脑（图 4），由 24 V 供电，具有以下功能：测量模块的电压和温度，测量电池包的电压和电流，电子设备的控制和诊断，管理在电车上的充电和放电，管理外部充电器，管理和控制电池包的温度管理系统。系统自诊断60 种报警信息并通过电车 CAN 网（控制器局域网络）现场总线向电车传输电池包剩余能量数值、报警、充电电流等信息。

图4　电池包管理单元

1.3电池包温度管理系统

为了保证电池包模块的性能及生命周期，维持电池包运行在最佳的温度范围内（20 ℃±3 ℃ ），电池包温度管理系统（BTMS）由 1 个冷却或加热的空调机组和 2 条分别充满水溶液和乙二醇溶液的循环回路组成，循环回路用于给每个镍氢电池模块冷却或加热。

（1）第 1 条回路（制冷）由包括压缩机、干燥机、脱水过滤网等部件组成。这条回路配有指示器可以检查冷媒液的液位和浓度。

（2）第 2 条回路（加热）由水泵、加热器（浸没式加热器）、流量计、溢流口、排泄口等部件组成。

1.4SAFT牵引电池包与电车接口

牵引电池包可以保证在无接触网供电的状态下，完全满足电车的牵引电力供应。为了实现这一功能，在电车通过接触网供电时，电池包可根据 BMC 与电车CAN 网现场总线间通信自动检测所处的运行模式。电池包有以下3种运行模式。

（1）供电模式。电池包给电车提供能量、放电。

（2）充电模式。牵引电能由电网提供，电池包通过中间的充电器实现再充电。

（3）待机模式。牵引电池包处于待机状态，保存已储存的能量。

当牵引电池包转化为供电模式时，首先电车通过CAN 网现场总线发出指令，电池包收到命令后，由电池包控制单元控制电池包内部接触器（Kbatt）闭合，然后，电车闭合 Kaps 接触器（电车电池包模式开关），这样牵引电池包能量就能反馈至电车 750 V 供电网络，由电车分配相关电能供电车 2 组牵引逆变单元使用。包就报故障，需将电车排空回段后，更换模块或均衡充电，其故障严重影响整组电池包的性能。

图5　SAFT 牵引电池包与 Translohr 电车电气连接示意图

2　SAFT 牵引电池包实际运用情况及故障类型

天津开发区新交通试验线作为国内首条在正线部分区段使用大功率牵引电池包动力模式的有轨电车线路，在实际运营过程中，积累了大量大功率电池包的运营维护经验。该型电池包的技术特征吸引了国内众多生产厂家和科研院所的注意，纷纷来津考察、研究。

尽管 SAFT 电池包技术先进、功能强大，但在实际的运用中表现并不理想。牵引电池包的环境适应能力差、故障率高，同时，该电池包单体备件采购昂贵，采购周期长，使用寿命短，严重影响了正常运营。牵引电池包故障主要表现在以下几个方面。

（1）镍氢电池模块故障。镍氢电池模块故障是最常见的故障，其表现形式有：模块电压低，充电温度高，内阻变大，爬碱严重，电池容量下降等，它们之间相互影响。其中电压低、温度高会被 BMC 直接监测到，产生故障报警，切断电源供应。

（2）电池包温度管理系统故障。该系统故障也是车辆运营中电池包常见故障。牵引电池包通过对乙二醇和水溶液的加热、制冷，调节镍氢电池模块的工作环境温度，使镍氢电池模块发挥最佳工作性能。故障时会导致镍氢电池模块温度偏离工作适宜温度，造成整组电池包无法正常工作，不但影响车辆的运营，还可能需要进行车辆救援。常见故障有制冷故障、加热故障、循环故障以同时，天津地区夏季高温、高湿天气较多，当外部环境温度与电池内部温度偏差过大时，就会有凝露现象，当冷凝水泄漏到镍氢电池模块上时，会导致镍氢电池模块绝缘击穿，严重时会导致电池着火。

同时，由于电池包管理单元对 44 个镍氢电池模块以每 2 组 1 个单元进行检测，在检测单元间常存在均衡压差故障，当 2 个检测单元之间的压差超过 0.2 V，电池及漏液等。

（3）电池包控制单元（BMC）故障。在实际运用过程中，多次发生过因密封不严造成 BMC 进水及电压波动引起 BMC 烧毁故障。该系统故障直接导致整组电池包无法工作。

（4）电池包充电器故障。在实际运用过程中，因电压波动或温度过高，多次引发牵引电池包充电器电容漏浆或烧毁故障。充电器输出 600 V 直流电对牵引电池包进行充电。一旦该部件出现故障，牵引电池包就只能放电而无法充电。

（5）各种传感器以及信息采集卡故障。因电池包内部在充放电过程中会释放出腐蚀性气体和液体，对各类传感器灼烧严重。当其采集信息无法传递给 BMC 进行处理时，会导致电池包报警，甚至停止工作。

以上故障，通过加大检修力度和提前预防性更换等措施，将电池包故障降低到一定程度。同时，也有必要参考 SAFT 电池包设计理念，适时开展国产化研究，以节省运营成本。

3　结束语

Translohr 电车应用的 SAFT 电池包设计理念先进，内部构架合理，是大功率电池组应用的范例，值得国内科研机构研究。但 SAFT 电池包在产品可靠性及国内环境的适应能力方面还存在诸多问题，需要有针对性地加大检修力度，并适时启动国产化工作以节省运营成本。

[1] 钱广民. Translohr 胶轮导向电车电气系统技术特点研究[J]. 城市轨道交通研究，2014（4）：97-101.

[2] 周庆瑞，施翊. 新型有轨电车及创新的供电制式[J].都市快轨交通，2008（6）：95-97.

[3] 柴适. 有轨电车供电新技术[J]. 城市公用事业，2011 （4）：53-54.

[4] LOHR INDUSTRIE. D00004306 TRANSLOHR STE3 TECHNICAL SPECIFICATIONS[G]. 天津：天津滨海快速交通发展有限公司，2006.

Technical Characteristics of Traction Battery Pack of Modern Tram and Practical
Operation Fault Analysis

Hu Shoujian, Qian Guangmin

The paper makes an introduction of the main technical characteristics of SAFT traction battery pack of modern rail tram for the new transport test line of modern rail tram in Tianjin Development Zone, and detailed description of the main technical characteristics battery pack nickel metal hydride battery module, battery pack control unit (BMC) and battery pack temperature management system (BTMS). And it also introduces the actual situation of the traction battery pack, classifies and summarizes the various typical faults of battery pack in the present operation, providing references for other domestic use of traction battery pack power model on tram lines.

traction battery package, nickel metal hydride battery module, battery pack control unit, battery pack temperature management system, operating conditions, fault analysis

U482.1∶U260.4+9

胡寿建：天津滨海快速交通发展有限公司，工程师，天津 300457

2015-02-28责任编辑 冒一平