基于钛酸锂电池的短编组有轨电车车载储能方案仿真分析

2021-04-16蒲思培

中国机械工程 2021年7期

蒲思培

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉，430063

0 引言

根据《城市轨道交通工程项目建设标准》(建标104—2008)，有轨电车属于中运量交通系统，列车总长度不超过60 m，适用于单向运能在(1～2)万人次/h之间的城市轨道交通系统。随着《国务院办公厅关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》(国办发[2018]52号)的发布，在地铁、轻轨审批门槛大幅提高的前提下，有轨电车将在我国广大三四线城市作为主干线路及一二线城市作为辅助线路迎来重大发展机遇。目前有轨电车储能方式一般以超级电容为主，其中又根据超级电容种类的不同分为双电层超级电容与高能量超级电容两大类。但因中小城市客流较少，所需有轨电车编组较短，而低地板有轨电车的超级电容、制动电阻、逆变器、辅助电源、空调、受电弓等几乎所有设备均布置于车顶，从而导致车顶空间十分紧张，同时由于超级电容体积较大，因此短编组有轨电车车载储能装置容量普遍不高。以国内某主机厂3编组有轨电车为例，其整车长度为21.4 m，在采用双电层超级电容储能时，整车仅能带电9 kW·h，采用高能量超级电容时，整车也仅仅可带电19 kW·h，从而导致整车续航里程不足，沿线充电站设置数量较多[1-2]。

本文以钛酸锂电池为基础，在尽量不调整车顶设备布置的前提下，通过采用钛酸锂电池替换超级电容，提高车载储能装置最大存储电量，并结合保山有轨电车T1线实际线路条件进行了仿真计算，仿真结果表明钛酸锂电池可完全满足列车牵引/制动需求，且可以大幅减少区间充电站设置数量。

1 钛酸锂电池适应性分析

钛酸锂(Li4Ti5O12)电池单体电压为2.35 V，工作电压为1.5～2.8 V。用于有轨电车的电池模组主要由单体电芯串并联构成，形成容量更大、电压更高的电池组。在电池组内部集成了电池管理系统(battery management system，BMS)、通信系统、故障告警系统、热管理系统等相关部件，电池组结构见图1。

图1 电池组结构示意图Fig.1 Battery pack structure diagram

1.1 使用寿命分析

有轨电车年走行里程约在(6～8)万km之间，因完全使用车载储能装置行驶，列车储能装置充放电频率较高，因此目前各地采购储能式有轨电车普遍对其车载储能装置提出了8～10年的使用寿命需求。为检验电池组使用寿命，本次研究分别在25 ℃与45 ℃环境温度下分别采用20 A及60 A电流对电池组进行了0～100%与50%～90%荷电状态(state of charge，SOC)的连续充放电试验，充放电时间均为20 min，试验结果如图2、图3所示。

图2 25 ℃充放电试验 Fig.2 25 ℃ charge and discharge test

图3 45 ℃充放电试验Fig.3 45 ℃ charge and discharge test

由图2可知，在0～100% SOC条件下，25 ℃环境温度下分别采用20 A、60 A电流恒流充放电时，电池组经15 000次充放电循环，电池容量可保持在85%以上；在50%～90% SOC条件下，25 ℃环境温度下分别采用20 A、60 A电流恒流充放电时，电池组经22 000次充放电循环，电池组容量几乎无衰减。

由图3可知，在0～100% SOC条件下，45 ℃高温环境下分别采用20 A、60 A电流恒流充放电时，电池组经3000次充放电循环，电池寿命仅剩80%，达到6000次充放电循环时，电池容量仅剩余50%，衰减较快；而在50%～90% SOC条件下，45 ℃高温环境分别采用20 A、60 A电流恒流充放电时，电池组经12 000次充放电循环，电池组容量衰减不超过2%。

根据本次试验数据并参考同类型钛酸锂电池试验结果，在同等温度条件下，若达到相同的电池容量衰减量，40%充放电循环寿命(charge and discharge cycle life，DOD)比100% DOD寿命长8倍以上。

由此可见钛酸锂电池寿命主要受温度与DOD控制，若通过电池组内BMS进行合理的电池温度及充放电深度控制并通过沿线合理布置充电站数量，控制电池放电深度，则电池组容量保持率可控制在很高的水平之上，容量的衰减几乎不会影响有轨电车的正常使用[3-4]。

1.2 安全性分析

传统锂离子电池负极材料是碳基材料，由于碳负极材料具有与金属锂很接近的电位，故当电池过充电时碳电极表面易析出金属锂枝晶而引起短路、热失控等；同时充放电时锂离子在反复地嵌入和脱嵌过程中会使碳基材料结构受到破坏从而导致电池组容量的衰减[5]。而Li4Ti5O12是一种由金属锂和低电位过渡金属钛复合的氧化物，属于AB2X4系列材料，可被描述成尖晶石固溶体。Li4Ti5O12最大的特点就是其“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1%。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致的结构破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，同时具有非常好的耐过充、过放特征[6]。

在针对锂电池针刺、热失控、过放等基本安全性评测基础上，又进行了有轨电车常见的过充、短路情况试验研究，试验结果分别如图4、图5所示。

图4 过充电试验Fig.4 Overcharge test

图5 短路试验Fig.5 External short circuit test

由图4可知，当电池组发生过充电时，电池组在约70 min时开始出现温升，同时电池组开始鼓胀；在约90 min时温度回归正常。不切断电源一直充电时，最高温度上升至200 ℃左右，整个过程中电池无燃烧和爆炸现象。

由图5可知，当电池组出现短路情况时，在短路的瞬间，电池组电压降至0.7 V左右，同时表面温度迅速上升至115 ℃后逐渐减低，整个过程中电池无燃烧和爆炸现象。

由上述分析可知，在耐用性与安全性上，钛酸锂电池组可完全满足有轨电车的使用需求。

2 钛酸锂电池装车方案研究

目前用于保山有轨电车的钛酸锂电池储能装置由3个电池箱并联组成，单个电池箱又由电池模组串联后组成。其中1个电池模组由2个电芯并联后，再由36个电芯串联构成，即2P36S方式；再由9个这样的电池模组串联，即2P324S方式形成1个电池箱。单个电池箱容量可以达到19 kW·h，按最大持续放电电流计算，可以达到最大350 A的持续放电需求[7]。

根据列车牵引功率需求，列车需要至少900 A的最大持续放电电流，因此为满足列车牵引需要，该3编组有轨电车储能装置需要由3箱钛酸锂电池箱并联而成，并联后最大放电电流为1050 A、储能装置总容量为57 kW·h，列车主电路拓扑图见图6。

经串并联成组后，单个电池箱外形尺寸长×宽×高为1960 mm×1000 mm×650 mm，3个电池箱总带电量为56 kW·h。考虑各部件安全间隙后，该列车车顶布置见图7[7]。由图7可以看出，在合理排布车顶空间并采用小型被动升降受电弓的前提下，车顶可以满足3套电池箱、制动电阻、空调、逆变器及辅助电源箱等设备的布置要求。

3 钛酸锂电池供电方案仿真

3.1 T1线线路条件

保山有轨电车T1线工程右线全长21.042 km，其中高架线长4.31 km，地下线长0.55 km，其余均为地面线。全线共设站23座，其中上营站、聂家屯站、小屯站、保岫路站、龙泉路站、沙丙路站为高架站，其余均为地面站，最大站间距 2 km，最小站间距0.34 km。

3.2 列车基本参数

列车供电电压为DC750 V；轮径为620 mm /580 mm /540 mm(新/半磨耗/全磨耗)；动车轴式为Bo-Bo(电力机车的轴列式，每个转向架2根动力车轴)；列车编组为Mc+F+Mc(2动1拖，即2M1T)；列车自身质量为33.5 t；列车总质量分别为空车(AW0)M0=33.5 t/列，定员(AW2)M2=44.5 t/列，超员(AW3)M3=47.5 t/列；惯性系数为8.4%[1]。

图6 列车主电路拓扑图Fig.6 Tram main circuit topology

图7 列车车顶设备平面布置图Fig.7 Tram roof equipment floor plan

3.3 仿真参数计算

(1) 列车换算质量为

Mg=M0×8.4%=33.5×8.4%=2.814 t

AW0换算质量为

M0g=M0+Mg=36.314 t

AW2换算质量为

M2g=M2+Mg=47.314 t

AW3换算质量为

M3g=M3+Mg=50.314 t

(2) 启动阻力计算。启动阻力按49 kN/t计算，其中，AW0启动阻力

Wq0=M0×49×10-3=1.642 kN

AW2启动阻力

Wq2= 44.5×49×10-3=2.181 kN

AW3启动阻力

Wq3= 47.5×49×10-3=2.328 kN

(3) 坡道阻力计算。最大坡度按6%计算，其中，AW0坡道阻力

Wm0=33.5×6%×9.81=19.718 kN

AW2坡道阻力

Wm2=44.5×6%×9.81=26.193 kN

AW3坡道阻力

Wm3=47.5×6%×9.81=27.959 kN

(4) 基本阻力计算。基本阻力为

Fr=20m+0.75mv+0.4v2

式中，Fr为列车基本阻力，N；m为列车换算质量，t；v为列车速度，km/h。

据此计算的各速度条件下列车基本阻力如表1所示。

3.4 仿真结果

根据上述基本条件及钛酸锂电池配置情况，在Cinius列车平台仿真软件中建立列车仿真模型，得到列车牵引/电制动仿真曲线如图8所示[8]。

3.4.1牵引性能

由图8可知，在网压为DC750 V，AW2负载条件下，列车以72 kN的恒牵引力启动加速(响应时间为0.8 s)，黏着系数取0.23，此种工况下，列车在0～40 km/h和0～70 km/h速度范围内其平均加速度如表2所示。仿真结果表明钛酸锂电池供电方案可以满足列车牵引动力性能要求。

表1 列车各速度基本阻力表Tab.1 Basic speed resistance table

图8 列车牵引/电制动仿真曲线Fig.8 Tram traction/electric brake simulation curve

表2 列车启动加速度计算表

3.4.2制动性能

由图8可知，制动时,网压为DC900 V、黏着系数取0.23，在AW2负载条件下的平均减速度如表3所示。仿真结果表明钛酸锂电池方案满足

表3 列车制动减速度计算表Tab.3 Tram brake deceleration calculation table

列车制动性能要求。

3.4.3故障运行能力检算

(1)丧失1/2动力检算。在车辆超员荷载工况下，当列车丧失不大于原动力1/2动力时，应具有在正线最大坡道上启动和运行到最近车站的能力。此时加速度计算公式为

a=((Fq/2)-Wq3-Wm3×60%)/M3g= (72/2-2.328-27.959)/50.314= 0.1135 m/s2>0.0833 m/s2

式中，Fq为牵引力，kN；Wq3为AW3启动阻力，kN；Wm3为AW3坡道阻力，kN；M3g为AW3换算质量，t；0.0833 m/s2为列车启动最小加速度。

检算结果表明,在损失1/2动力的情况下，车辆在超员荷载情况下，钛酸锂电池供电方案可以满足列车在正线最大坡道上启动并运行至最近车站的能力。

(2)空车返回车辆段检算。在车辆空车和丧失不大于原动力1/2动力时，应能从故障点启动运行到车辆段。此时加速度计算公式为

a=((Fq/2)-Wq0)/M0g= (72/2-1.642)/36.314= 0.946 m/s2>0.0833 m/s2

式中，Wq0为AW0启动阻力，kN；M0g为AW0换算质量，t。

检算结果表明，在损失1/2动力且空车情况下，钛酸锂电池供电方案可以满足列车从发生故障点维持运行到车辆段的能力。

(3)车辆救援检算。空载车辆应具有在正线线路的最大坡度上牵引另一列定员载荷的故障车辆运行到车辆段的能力。此时加速度计算公式为

式中，Wq2为AW2启动阻力，kN；Wm0为AW0坡道阻力，kN；Wm2为AW2坡道阻力，kN；M2g为AW2换算质量，t。

计算结果表明，钛酸锂电池供电方案可以满足空载车辆在正线最大坡道上将另一列定员荷载的无动力车辆牵引到车辆段的能力。

3.4.4充电装置设置情况

本文研究的列车共配置3个钛酸锂电池箱，总计可用电量为57 kW·h，根据保山T1线实际线路图及停站时刻表进行列车运行仿真计算。当车辆处于AW2负载、辅助功率全开并考虑非信号控制路口均停车等待40 s情况下，以北津街站至第一个设充电桩的车站永昌路站为例，列车自起点站北津街站开出，带电量为57 kW·h；在画桥站、百屯站、青莲站、好善营站均停站不充电，当列车行驶至永昌路站时，剩余电量为40.24 kW·h，在永昌路站停站30 s，补充电量6.4 kW·h，出站后带电量为46.64 kW·h，具体如图9所示。

图9 钛酸锂电池方案列车运行仿真曲线Fig.9 Tram running simulation curve of lithium titanate battery scheme

由该仿真计算可知，钛酸锂电池方案仅需在正线北津街站、永昌路站、保岫路站、武家屯站、小村站、辛街东站设置6座充电站即可完成正线运行，列车运行至终点站辛街东站时，列车剩余可用电量4.4 kW·h，满足正常运行需求[2]。

在终点站设置单台最大充电电流1500 A、充电功率1.35 MW的充电桩前提下，列车仅需4 min即可完成充电；若车站上下行方向均配置充电桩，则可完全满足本线远期18对(每小时开行列车对数)的发车间隔需求。由仿真可知，钛酸锂电池方案在全线仅设置6座充电站的前提下，即可满足正常运营的需求，与同车型高能量超级电容方案需设置12座充电站相比，减少了6座充电站，按1座充电站配置1座牵引变电所，每座牵引变电所投资450万元计算，仅牵引变电所1项即可节省工程投资2700万元。