钛酸锂电池在高速磁浮列车上的应用分析*

邓桂美，陈 星，韩伟涛，王芹凤

1 概述

目前美国、日本、德国和中国等国家都在研究高速磁浮列车，以满足人们更快的长距离出行需求[1-3]。我国高速磁浮列车的最高试验运行速度达到503km/h，最高实际运营时速达到430km/h。随着时间的推移和技术创新研发，将会出现600km/h以上的更高速磁浮列车。那么，高速磁浮列车必然将会成为长距离运行的主要交通工具之一。然而，高速磁悬浮列车的长距离运行必然会面临新的技术问题。在长距离运行线路上，为实现列车任一地点启动和停车等运行工况，需要列车配备性能更高的电池，解决车载供电问题。

2 工作环境

高速磁浮列车起浮、运行和停车等正常运行都需要通过车载供电系统对其车辆负载供电来完成。图1为车载供电系统的组成架构示意图。

图1 高速磁浮列车载供电系统架构示意图

图2 某型号碱性电池电芯（-20℃）不同放电倍率曲线

高速磁浮列车在起浮运行时，需要地面或车载电源为其提供大电流供电，以便于列车完成启动所需要的能量；在停车时，需要地面或车载电源为其提供制动用的安全电源。如果仅采用地面电源方式为列车供电，需要在全线路磁浮轨道铺设相对较大功率的接触式供电轨或非接触器供电线圈。由于高速磁浮列车高速运行时，列车上的负载可以通过直线发电机进行非接触式供电，因此，在列车高速运行时无需地面供电电源等设备。这样无疑极大增加高速磁浮轨道投资成本、维护成本和供电成本；全线铺设的地面供电电源及供电轨道（或供电线圈）等设备的使用效率也非常低。那么，列车安装车载电源成为一种必然选择。这样，不仅满足列车安全供电需求，而且也极大减少了地面电源装置和供电轨（或供电线圈）的铺设长度。

3 现状分析

目前可以作为高速磁浮列车车载储能系统的电源，主要有二次电池（如:碱性电池，锂电池等）和燃料电池（如:氢燃料电池、铝空燃料电池等）两种类型电源装置。

可用作车载电源的电池有二次电池（如:碱性电池，锂电池等）和燃料电池（如:氢燃料电池、铝空燃料电池等）两种类型电源装置。燃料电池是消耗类型电池，无疑给车辆的维护和使用带来诸多不便，同时，燃料电池还增加了列车使用成本或安全等问题。这样，二次电池便成为车载电源的理想选择。

目前高速磁浮列车一般采用碱性电池作为车载电源。碱性电池的自身特性导致作为车载电源需要解决以上几点不利因素:

3.1 电池记忆效应

磁浮列车正常运行时，仅在列车起浮、加速运行和制动停车时需要蓄电池供电；列车在其他运行工况时基本上不需要蓄电池供电，仅需要对车载电网供电起到缓冲作用。可见，车辆在使用电池时经常存在浅充浅放的运行工况。然而，长期浅充浅放会导致碱性电池产生记忆效应，进而导致碱性电池放不出足够电量，因此，需要在碱性电池供电回路上单独设置充满电控制回路。不过，这样并不能完全消除碱性电池长期使用存在的记忆效应。因此，为保证车辆具有充足的可靠用电量，需要配置尽可能大容量电池，这样无疑增加安装空间和设备重量，不利于车辆轻量化设计。同时，需要定期拆除碱性电池，对其返厂进行地面维护，来消除碱性电池的记忆效应。

3.2 低温放电性能差

碱性电池电芯可用放电电压一般在1.05V-1.35V之间（标称电压1.2V），在低温条件（-20℃）上，瞬时以放电电流4C时上拉电压至1V左右，基本上不能够放电使用。有关某型号碱性电池电芯在-20℃不同倍率放电曲线，如图2所示。所以，在天气寒冷条件上，高速磁浮列车起浮等工况使用碱性电池以大电流进行放电基本不可行。因此，使用碱性电池作为车载电源时，最简化设计需要对其单独设置加热回路。

3.3 非密封式电池电芯

由于碱性电池自身消耗电解液特性，因此，单体电池设置了注液口，需要将其电解液保持在最低液面和最高液面之间，如图3模型碱性电池电芯。这样，高速磁浮列车使用碱性电池作为车载电源时，需要定期将其拆卸上来进行地面注液维护。

图3 某型号碱性电池电芯液面位置

3.4 设置检测装置

考虑到碱性电池应用条件限制，需要在碱性电池外部设置电压、电流检测装置，来实现碱性电池可用电量检测。此外，为防止碱性电池因电解液耗干等工况引起的异常故障，在电池箱体内部设置温度检测开关，以便于外部预警装置及时报出故障处理信息。

3.5 设置通风系统

由于高速磁浮列车车载电源具有动力电源和辅助电源双重特性，因此碱性电池需要在外部设置控制回路和通风系统以防止电池过热、微量氢气产生等不利因素。

通过以上分析说明，可以看出使用碱性电池作为车载电源不仅增加了设备重量、安装空间、控制回路、加热回路和检测装置等，而且也增加了电池地面注液和返厂激活等维护工作。

4 钛酸锂电池优势分析

锂电池目前主要有三元锂电池、磷酸铁锂电池和钛酸锂电池。由于轨道交通行业对安全性要求较高，一般推荐使用安全性能相对最高的钛酸锂电池[4]。上面对钛酸锂电池相对于碱性电池作为高速磁浮列车车载电源的优势进行简单分析。

4.1 无记忆效应

与碱性电池相比，钛酸锂电池对其充放电没有记忆效应，因此，对于电池的浅充浅放等使用工况没有限制。这样，使用锂电池作为车载电源无需单独设置控制回路和定期返厂激活维护工作。同时，在保证列车可用电量条件上，可以使用容量相对较小的锂电池进行设计。通过电池容量计算，高速磁浮列车使用锂电池的安装空间和重量均比使用碱性电池要减少50%。

4.2 低温放电性能相对校好

钛酸锂电池电芯可用放电电压一般在1.5V-2.7V之间（标称电压2.3V），在低温条件（-20℃）上，瞬间以放电电流4C时上拉电压至2.25V左右。有关某型号钛酸锂电池电芯在-20℃不同倍率放电曲线，如图4所示。所以，在天气寒冷条件上，高速磁浮列车起浮等工况使用钛酸锂电池电芯以大电流进行放电可行。至于使用钛酸锂电池电芯作为车载电源，根据列车使用工况判断是否为锂电池设置加热回路。

4.3 密封式电池电芯

与碱性电池相比，钛酸锂电池不会消耗电解液，也就无需定期地面注液维护工作。

4.4 内设控制系统

图4 某型号钛酸锂电池电芯不同温度不同放电倍率曲线及温升曲线

由于钛酸锂电池采用密封式电池电芯，因此在电池箱体内部便可以设置电池管理系统（BMS）、接触器、电压传感器、电流传感器和温度传感器等电气器件，无需设置外围电路等。

4.5 通风系统

钛酸锂电池箱体内部设置电池管理系统（BMS），可以单独控制通风系统。此外，钛酸锂电池相对于碱性电池的发热效率很低，所以是否需要设置通风系统还要根据列车使用工况进行确定。

5 结论

通过以上分析说明，相对于碱性电池，锂电池作为高速磁浮列车车载电源不仅没有记忆效应、低温性能好、可用电量大等，而且占用安装空间小、重量轻、无返厂激活和地面注液等优势。所以，将锂电池作为高速磁浮列车的车载电源不失为一种较为理想的选择。这样，有效解决高速磁悬浮列车在长距离运行时的任一地点启动和停车的供电技术问题。