钛酸锂电池在中速磁浮车辆上的选型及应用

曹 芬，杨 颖，高 锋，杜志勇

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

中速磁浮列车采用“双侧电磁同步驱动+悬浮驱动一体化”方案，即在高速磁浮技术基础上再创新，实现500 km时速向200 km时速下延[1]。中速磁浮列车车载设备由直流440 V电网供电。直流440 V蓄电池作为列车直流440 V车载电网的备用和紧急电源，其主要作用是调节和稳定440 V电网电压，在应急情况下满足车辆悬浮导向系统正常悬浮直到涡流制动紧急停车[2]。该蓄电池的应用特点决定了其应具有放电电流大、开路电压高、体积小以及重量轻等特点。不同于普通的锂电池，直流440 V蓄电池应选用低温时仍能高倍率放电的动力型安全锂电池。本文将重点研究中速磁浮列车直流440 V蓄电池的选型与应用。

1 直流440 V蓄电池的选型

1.1 直流440 V蓄电池负载

200 km/h中速磁浮车辆为4节编组，每节车有4套直流440 V电网，Mc车与M车的直流440 V电网贯通，每节车有两组直流440 V蓄电池，配置结构如图1所示。每套电网配置一组直流440 V蓄电池，主要负载有导向控制器、悬浮控制器、涡流制动控制器、空调以及其他负载，与多个充电机即升压斩波器相匹配进行充放电。

图1 直流440 V车载电网配置结构

1.2 中速磁浮车辆对直流440 V蓄电池的要求

中速磁浮车辆对直流440 V蓄电池的要求包括充、放电性能要求及蓄电池使用寿命、可维护性、安装体积、重量等要求。其中，直流440 V蓄电池容量需在最不利情况下满足列车应急用电需求，维持直流440 V电网供电15 min。最不利情况是指直流440 V电网故障，高速制动时为全功率涡流制动。经计算，直流440 V蓄电池最大持续放电电流为185 A左右，温度使用范围需在-25～+45 ℃，车辆用电量为16.25 kW·h，蓄电池使用寿命大于10年。

1.3 直流440 V蓄电池类型的确定

在直流440 V蓄电池的选型上，现阶段动力型电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池等几种类型，性能比较如表1所示[3]。

表1 动力型电池性能比较

1.3.1 轻量化

中速磁浮车辆通过悬浮电磁铁使车辆悬浮，但悬浮能力是有限度的，这个特点决定了车辆所有部件必须进行轻量化设计。由于铅酸蓄电池、镍氢电池以及镍镉电池的电压偏低、比能量低、体积偏大，因此都不是很适合作为磁浮车辆用蓄电池[4]。而锂离子电池具有电压高和比能量高的特点，在轻量化方面更适合磁浮车辆。

1.3.2 低温放电特性

中速磁浮车辆工作的气温条件是-25～+45 ℃，这个特点决定了蓄电池需具备相应的低温放电能力[5]。根据表1中-20 ℃条件下蓄电池低温放电的能力值，最佳选择是钛酸锂电池[6]。

1.3.3 大电流放电特性

中速磁浮车辆涡流制动为全功率时，直流440 V蓄电池最大持续放电电流为185 A左右，这个特点要求蓄电池具有大的放电倍率，根据表1最佳选择是锂电池。基于锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充放电、自放电率低、工作温度范围宽以及免维护等优点，选择锂离子电池作为中速磁浮车辆用蓄电池，但必须考虑到轨道交通车辆最重要的一点就是安全性。

1.3.4 安全性

锂离子二次电池依据正极材料的不同，主要分为钴酸锂、二元电池、三元电池、锰酸锂、磷酸铁锂电池等体系。从材料结构来说，层状结构的钴酸锂、二元电池、三元电池并不适合使用在轨道车辆上。在不同的正极材料中，磷酸铁锂电池是目前商用锂电池中最安全的正极材料。但是仍然采用了可燃烧的有机电解液，因此如果电池设计或制造不良，当电池破裂且温度高于电解液的闪点（Flash point）时，仍然会导致起火事故。

锂离子电池的负极材料分为碳材与钛酸锂两个系列。在安全性的问题上，钛酸锂的负极电位平台约为1.55 V，比传统石墨负极材料高出约1.5 V，虽然导致整个电池电压平台大幅下降，损失了约30%的能量密度，但也意味着在一般的充放电条件下不容易在钛酸锂表面析出锂金属，从而提高了电池的安全性。因此，在正常使用的状况下，钛酸锂是锂离子二次电池中最安全的负极材料[7]。负极是钛酸锂材料，正极是磷酸铁锂、锰酸锂的钛酸锂电池比磷酸铁锂电池、镍钴锰三元锂电池更安全。

综上，考虑到磁浮车辆轻量化要求以及在车辆上使用的高低温性能、充放电性能、安全性能等因素后，选择钛酸锂电池[8]。

1.4 直流440 V蓄电池电压及节数

钛酸锂蓄电池的单体电压参数为标称电压2.3 V、放电截止电压1.5 V、充电截止电压2.7 V，标称容量为20 Ah。常温倍率放电曲线如图2所示，常温倍率充电曲线如图3所示。

图2 常温倍率放电曲线

图3 常温倍率充电曲线

升压斩波器对直流440 V蓄电池采用恒压限流方式进行浮充电，其输出额定电压为490 V。设定直流440 V蓄电池单体的均衡电压点为2.55 V，则其中所含单体电池个数为490V/2.55V=192.1节，取整后为192节，即直流440 V蓄电池组标称电压为U=2.3V×192=441.6 V。

直流440 V蓄电池采用的充电方式为先0.75C恒流充电，将蓄电池单体电压充至2.55 V之后，充电机设置为恒压充电，充电电流逐渐降低。中速磁浮车辆为保证充电时间短，充电机恒压充电电压设置为490 V。

1.5 直流440 V蓄电池容量

根据直流440 V电网功率分配计算，可得到各速度下的直流440 V的电网功率。选取直流440 V电网最大功率如表2所示（包含涡流制动）。一套直流440 V电网的最大功率为70.26 kW，考虑此时最低工作电压为380 V，则电流为185 A。

表2 直流440 V电网最大功率

列车正常运行时，列车停止和速度小于约20 km/h时完全由外部供电系统供电；速度在约20～100 km/h运行时由外部供电系统与列车自带的直线发电机联合对车辆供电；在大于100 km/h速度行驶时完全由直线发电机供电。

工况一：列车在小于100 km/h时开始制动，涡流制动为全功率，有外部供电。则此电网蓄电池负载功率=电网负载功率-(直线发电机最大输出功率+外部供电最大输出功率)，最终得到曲线如图4所示。蓄电池负载功率最大为26.625 kW。

图4 小于100 km/h满功率制动时的蓄电池负载功率

工况二：列车速度大于100 km/h时开始全功率涡流制动到停车，得到蓄电池的最大负载功率为28.588 kW，此时速度为20 km/h，对应曲线如图5所示。

图5 大于100 km/h满功率制动时的蓄电池负载功率

综合以上工况时蓄电池的负载功率，选择每组蓄电池负载功率为30 kW。直流440 V电网无外部供电时，直流440 V蓄电池能维持电网15 min，即0.25 h。

蓄电池需提供理论电能为：

蓄电池容量的计算公式：

蓄电池的平均电压U平按460 V计算，则蓄电池的理论容量为：

蓄电池-25 ℃以上低温放电能力为1，充电效率η充为58%，大电流放电系数η放为0.77，寿命系数η寿为0.9，所需电池容量为：

式中：W理为理论电能，单位为Wh；W为电能，单位为Wh；P为功率，单位为W；t为时间，单位为h；C为容量，单位为Ah；C理为理论容量，单位为Ah；C实为实际容量，单位为Ah；I为电流，单位为A；U平为平均电压，单位为V；U为电压，单位为V。

根据以上数据和蓄电池容量计算公式，得到蓄电池容量为40.5 Ah。选择容量为40 Ah的钛酸锂蓄电池组，最大瞬时放电电流大于200 A。

1.6 直流440 V蓄电池寿命估算

蓄电池循环寿命是指在常温25 ℃、倍率为1C时充放电的全充全放循环寿命。实际蓄电池的使用温度需在-25～+45 ℃波动，充放电时也会有大倍率充放电，各取寿命系数0.9，使用寿命大于等于10年。蓄电池使用时每天全充全放两次，则蓄电池循环寿命要求≥（10年×365天/年）×2次/0.9/0.9≈9 012次。所选钛酸锂电池的循环寿命≥13 000次，完全满足要求。

1.7 重量估算

直流440 V蓄电池安装在中速磁浮车辆ASG机箱上层，一组直流440 V蓄电池由两个蓄电池箱组成。每个蓄电池箱最大外形尺寸是1 050 mm×800 m×300 mm，箱体主体材料为2 mm厚的不锈钢，框架和封板等为铝板，箱体骨架重量应小于50 kg。

电池单体电芯个数为440 V/2.3 V≈191.3个，即取192个。单体容量为20 Ah，则采用2并192串的电池配置方案，其中分为8个电池模组，每个模组2并24串，分别遍布两个箱体中。每个箱体摆放布4个模组，两台箱体采用串联输出方式，系统采用自然冷却的方式进行散热。每个电池单体电芯重0.515 kg，则每个模组中的单体电芯总重为0.515×24×2=24.72 kg。电池模组包括单体电芯、固定框架、电联接装置以及温度传感器、电压检测线路等，预估每个模组的重量为35 kg。

一箱蓄电池包括箱体骨架、模组、熔断器、BMS模块、直流110 V/直流24 V变换器和连接器等附件，预估一箱直流440 V蓄电池的重量小于200 kg。一组直流440 V蓄电池由两个直流440 V蓄电池箱组成，则一组的总重量小于400 kg。

1.8 试验项点及标准

目前，钛酸锂电池技术已经在国内外电动汽车领域大量应用，逐步广泛试用于轨道交通领域，包括动车、城轨列车以及调车机车等多种车型。影响车辆安全的因素主要包括电池着火、冒烟等，主要原因包括析锂、外部短路、内部短路以及过充。《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》（GB/T 31485-2015）、《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》（GB/T 31486-2015）分别规定了电动汽车用动力蓄电池的安全要求及试验方法、性能要求及试验方法。行业内，《轨道交通车载储能系统测试方法 第1部分：动力电池系统》（Q/CRRC J 37.1—2019）规定了轨道交通车载储能动力锂离子电池包/系统的术语和定义、技术要求、检验方法、检验规则，该标准适用于装载在轨道交通车辆上的动力锂离子电池包/系统[9]。

参考以上标准，试验项目主要包括外观检查、尺寸检查、重量检查、安全措施及安全设备检查、电路接线检查、开路电压测量、绝缘电阻测定、室温放电容量测量、低温放电容量测量、高温放电容量测量、倍率充放电测试、循环寿命试验、振动冲击试验、过充电试验、外部短路试验、挤压试验、热滥用（高温烘烤）试验、重物撞击试验、针刺试验、电磁兼容试验。测试结果均满足要求，其中蓄电池组在（55±2）℃环境温度下以1C恒流放电，实际放电容量＞36 Ah（额定容量的90%）。

1.9 装车应用

实际装车的直流440 V蓄电池箱外形如图6所示。一个直流440 V蓄电池箱重量小于200 kg。采用滚轮方式推拉进ASG机箱，方便检修和维护，背面采用盲插方式与车辆电气线路相连。目前，蓄电池装车后，车辆进行充放电试验，试验结果与图2和图3的充放电曲线吻合。

图6 直流440 V蓄电池箱

2 结 论

本文基于中速磁浮列车的车载电网特点，分析了车辆对直流440 V蓄电池的需求。研究蓄电池匹配的类型、电压、节数、容量等参数以及试验项点，选择了40 Ah容量的钛酸锂电池，并装车考核验证，初步证明所选的直流440 V蓄电池满足中速磁浮列车的轻量化、高能量密度、高安全性要求。

中速磁浮车辆系统在世界范围内的研究和应用尚属空白，该车型蓄电池也是首次采用钛酸锂电池。目前，蓄电池装车后在速度小于100 km/h情况下的工作状态良好，现正对更高速度下车辆运行进行调试，中速磁浮车辆用钛酸锂电池也将在更高速度中得到检验。这将为钛酸锂电池在中速磁浮车辆上的工程应用进一步提供有力证明，为今后钛酸锂电池在中速磁浮车辆上的批量化应用提供信心。