轨道交通辅助电池系统综述

龙 源

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001)

1 引言

辅助电池系统在轨道交通领域得到广泛的应用,是轨道交通车辆不可缺少的重要部件之一，对车辆正常运营具有重要影响。其在轨道交通中的主要应用场景有以下几个。

(1)在车辆启动时，利用辅助电池电源激活列车。进而为升受电弓、合主断路器等操作过程中的接触器、继电器配置动作提供启动能量[1]。

(2)作为内燃动力包启动电源，在内燃动力包启动过程短时高倍率放电。

(3)当整车在运行过程中外部电源或者车载直流辅助供电电源发生故障或切断时，依靠辅助电池向整车的重要和应急的负载(如照明、紧急通风、门控系统等)供电，是整车最后一道供电保障。

(4)当整车在外部电源切断时，依靠辅助电池向整车网络控制系统、控制电路回路、照明、等部件提供电源。确保整车维护、检修过程的安全、便捷[2]。

(5)另外，整车正常运行时辅助电池并入直流辅助回路也有利于稳定直流电源的输出电压。

近年来轨道交通技术在快速发展，对辅助电池能量配置、功率配置、温度适应性、安全性、功能扩展等方面也提出了更高的要求。本文将针对轨道交通辅助电池的应用情况、主要技术特点以及未来发展方向等方面开展论述。

2 辅助电池应用分类和比较

2.1 电池分类

辅助电池随着电池的技术发展而不断变化，在最初始采用铅酸电池[3]和镍镉电池[4]作为辅助电池，这两种电池性能稳定、结构简单，维护方便、不需要额外的管理系统或者附加电子器件对电池进行管理。

随着对环保和安全的要求越来越高，以及车辆对辅助电池的功能和容量的要求也越来越多。镍氢电池由于其安全性高、循环寿命长、抗滥用(过度充放)能力强[5]等优势越来越多的得到应用。[6]锂电池在电动汽车领域应用已经接近成熟，在轨道交通应用也发展迅速。锂电池在轨道交通动力电源[7]、应急牵引等应用场景也发挥着重要的作用[8]。

另外二次电池中还有很多其他电池种类，由于成本经济性(如氧化银电池、镉银电池、氢电极电池)、能量密度(如镍铁电池)、循环寿命(如镍锌电池、氧化银电池、锌/二氧化锰电池)等原因尚未在轨道交通的辅助电源形成规模应用。

2.2 电池比较

由于电池的具体性能与电池的设计特点、特定使用环境和充放电条件密切相关。同时，每一种电池根据正负极材料、极板类型、单体密封形式、电解液封装形式等局部材料、结构差异会有更为细致的电池类型划分，电池类型纷繁多样。

因此，本文对电池的比较主要从定性角度近似比较，从横向角度看出每一种电池的性能特点。电池特性比较如表1所示。

表1 不同电池特性比较[9]Table 1 Comparison of different battery characteristics[9].

各种电池综合性能比较如表2所示。电池的特性各异，针对不同蓄电池类型的选择，需要根据整车运营工况要求、电池特性和综合成本选择电池配置方案。

表2 不同电池综合性能比较Table 2 Comparison of comprehensive performance of different batteries.

3 辅助电池系统技术要求

3.1 辅助电池系统组成

辅助电池系统通常由蓄电池单体、模块、电池支架、托盘、箱体等全部或者部分部件组成，图1是一个典型的辅助电池系统示例[10,11]。

图1 辅助电池系统组成示意图Fig.1 Schematic diagram of auxiliary battery sycomposition.

3.2 机械结构

3.2.1 内部布置结构

辅助电池系统的机械接口主要包括电池系统在车上的安装位置、箱内布置结构、通风接口等。

电池系统通常可以根据整车设备布置情况安装在车顶、车内机械间以及车下屏柜内。电池箱内依据托盘与箱体的接口形式主要分为固定式安装、滑动式安装、滚动式安装三种方式。详见图2[11]。

图2 电池三种安装结构示意图。(a)固定式安装；(b)滚动托盘安装；(c)滑动托盘安装Fig.2 Schematic diagram of three battery installation structures.(a) Fixed installation;(b) Rolling tray installation;(c) Sliding tray installation.

3.2.2 通风要求

电池系统通风的作用主要有两个：

1.防止铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池在使用过程中溢出的氢气聚集，根据IEC 62485-2:2010标准计算通风流量，确保氢气浓度低于4%；

2.对电池进行散热冷却。通常辅助电池功率比较小，对散热冷却的需求不大。建议首选自然通风的方式。锂离子电池在运行过程中没有析氢要求，可以根据实际工况选择采用无通风形式结构。

3.2.2 安全与防护

电池的托盘或者箱体应该能够承受电解液腐蚀(如铅酸电池的酸性电解液、镍镉电池的碱性电解液等)，并从结构上防止电解液流动到箱外等其他区域。

随着车辆安全等级要求越来越高，电池系统防火等级要求也在提升。电池系统防火涉及到材料阻燃性、烟雾产生程度和低毒/无毒性的相关要求，通常电池的电解液等材料为导电、易燃的材料，电池系统需要从箱体结构层面开展防火设计，实现对火、烟、毒气的有效隔断[12]。

针对富液式铅酸蓄电池和镍镉电池的加液系统需设置阻火器，以防止外部火焰或火花进入电池，从而导致内部爆炸，从而导致电解液飞溅。

3.3 电气接口

辅助电池系统的电气接口主要包括与地面电源、车载充电机、辅助负载的相关接口。根据不同整车需求和电池类型有不同的接口配置，例如锂离子电池的电池管理系统就相对增加了管理系统(BMS)的供电接口、通讯接口和控制保护电路接口[13]。典型的辅助电池系统电气接口如下图3。

图3 电气接口示意图Fig.3 Schematic diagram of electrical interface installation.

蓄电池温度传感器的作用主要是监测电池温度，用于蓄电池充电时的温度补偿。二次电池的充电容量受到工作温度的影响，当电池温度较低时，需要较高的充电电压;当电池温度超过允许工作温度范围(如铅酸电池)时需要停止对电池系统充电。电池系统通常需要配置温度传感器进行温度补偿，温度传感器安装位置接近蓄电池内部电解液温度区域(如电池极柱、接线端子、电池表面等)。保护熔断器和隔离开关主要用于当电池过温、过充、馈电等故障状态时对电池系统进行隔离和保护。

有些国家地区(如日本等)的镍镉电池、镍氢电池等没有配置相应的温度传感器，也没有充电温度补偿功能。这种情况下通常采用低温加热、高温保护切除等措施，同时在电池选型计算时需要考虑电池缺少温度补偿功能导致的额外电池能量配置要求。

3.4 系统环境条件

辅助电池首先应该满足轨道交通所运营的实际线路和对应的环境气候条件要求，另一方面，电池的性能和寿命又与环境条件息息相关。环境条件包括温度、湿度、电气绝缘、海拔、振动与冲击环境等。按照轨道交通标准要求，辅助电池的环境条件主要满足如下表示(表3)要求。

表3 环境条件要求Table 3 Environmental requirements.

具体应用中的温度、湿度、海拔等条件可以根据实际环境条件进行调整。

3.5 系统电压范围

直流辅助供电系统按照电压等级区分为不同等级，所有直流辅助负载需要在各电压等级范围内正常工作。根据IEC62973-1：2018和IEC60077-1:2017标准要求，目前世界上直流辅助供电电压主要分类如下表示(表4)。

表4 电压范围Table 4 Voltage range.

24 V、72 V、110 V电压等级在世界上应用较为普遍。中国的机车、动车组、地铁车辆普遍应用110 V辅助电压等级，24 V电压等级也在有轨电车、调车机车、无轨电车等领域得到应用。另外，在日本87 V电压、北美64 V电压等特殊电压等级范围也在其特定国家区域的轨道交通领域得到应用。

值得一提的是，电池标准电压的作用更多只是用于按照电压等级区分直流辅助系统，并不等同于辅助电池系统的额定电压。电池的电压特性总是随着放电过程而逐渐下降，随着充电过程而逐渐上升，并不会在运用过程中长期处于恒定的某一电压值。电池系统最重要的特性指标就是确保电池系统在直流负载的最高电压和最低电压范围内，为直流负载提供所需要的能量。

由于不同电池的额定电压不同(如铅酸电池2.0 V额定电压，镍镉电池1.2 V额定电压)，电池系统的单体电池配置数量主要取决于其工作条件和电池特性。

3.6 电池系统配置

辅助电池的性能需要满足整车的运用工况要求。因此，电池系统在设计之初需要结合整车工况需求对电池系统进行匹配，实现电池系统更好的性能。[14]

1.确保电池系统的能量、功率等性能满足整车工况需求；

2.确保电池系统满足整车使用寿命的要求；

3.避免电池系统的能量和功率超过整车工况需求而造成电池系统的性能过剩、系统重量和体积的增加以及系统成本的增加。

电池系统的匹配需要结合电池的温度、容量、电压、负载情况等实际条件综合考虑分析。电池配置所需要的输入条件如下表示(表5)。

表5 电池系统配置的输入条件Table 5 Input conditions for battery system configuration.

(1)标注b的为日本市场轨道交通电压范围，遵循JIS E 5004-1标准。

3.7 系统充电

不同的电池类型的充电特性各不相同。通常采用先恒流-再恒压的充电方式，恒流充电阶段的主要目的是在电池容量较低时以较大的电流充电以缩短充电时间，同时避免电池在容量偏低时的电流过大影响电池寿命和特性；恒压充电阶段的主要目的是当电池容量较高时持续以较小电流向电池充电，同时避免电池过压导致电池故障。镍氢电池由于其充放电倍率高、电池耐过充性能优良，采用恒流充电方式既可以满足充电特性需求。图4是一个典型的镍镉电池按照先恒流-再恒压充电策略的特性曲线。

图4 典型的镍镉电池充电特性曲线Fig.4 Typical Ni-Cd battery charging characteristic curve.

电池系统温度的检测精度可能受到传感器类型、传感器电缆压降、传感器安装位置、温度采集模块的影响。如果辅助电池的充电过程对温度敏感程度高，则需要在辅助电池系统设计中考虑到相关因素对检测精度的影响，并在充电阶段采取补偿措施。

3.8 系统放电

除了正常满足车辆工况条件下的放电过程。电池系统还存在特殊情况下的深度放电(放电容量超过了正常设计值)工况。深度放电可能会导致电池系统寿命减少(如铅酸电池)、可用容量降低(如镍镉电池)、电池热失控引起火灾(如锂电池)等风险。

通常电池系统需要配置低压隔离保护装置，避免电池系统深度放电。同时，在深度放电后采用合适的电池充电方案(各电池厂商方案)，能够有效恢复可用容量等性能。

3.9 存储和运输

富液式铅酸电池和镍镉电池在运输过程中通常需要确保电池极柱朝上垂向固定，以避免电解液泄露。

通常电池存储环境要求室内干燥，清洁，无太阳直射的环境。需要断开电池与其他电气元件(如管理系统、负载、充电机)的电气连接。电池的存储时的荷电状态取决于各电池特性。如铅酸电池、锂电池通常要求以高于一定电池容量下进行存储，并进行定期充电。镍镉电池则建议电池以完全放电状态下状态进行长时间存储。

3.10 系统试验

电池系统试验的目的是验证其满足相应的标准规范要求，不同类型的电池有不同的试验标准和试验项点。电池系统主要试验项点如下表示(表6)[15]。

表6 电池试验项点Table 6 Battery test items.

4 总结与展望

辅助电池系统是轨道交通车辆中必不可少的部件之一，随着轨道交通技术的不断发展，辅助电池系统也从原来单一的备用应急辅助电源功能转向为更多功能的储能系统。从目前应用情况来看，辅助电池系统未来的发展方向主要有：

(1)更高的能量配置。随着轨道交通的发展，大容量的辅助电池能够在整车断电时的检修维护工作提供更长辅助负载的供电时间，轨道交通也要求在整车外部电源故障切断时能够为乘客提供更安全可靠的客室环境(紧急通风、紧急照明等)。因此大容量的辅助电池系统是未来的重要发展方向。

(2)更多的功能扩展。辅助电池越来越多的承担着辅助供电之外的功能。电力机车利用辅助电池为库内动车提供动力电源[16]；日立公司的有轨电车利用电池抬高直流母线电压以提升整车再生制动功率[17]。地铁利用辅助电池作为应急动力电源，驱动地铁列车应急牵引等功能[18]。

(3)混合系统。内燃动力包启动时需要很大电流。采用超级电容与辅助电池共同为内燃动力包提供启动电源的方式，能够有效实现低温环境下内燃动力包的启动，延长电池使用寿命[19]。可以想见，随着辅助电池系统功能的丰富和扩展，混合系统也将得到更多的应用。

(4)动力电池和辅助电池融合集成。动力电池越来越多的在轨道交通领域得到应用，虽然动力电池和辅助电池在运用工况、系统配置方面存在较大差异，但动力电池性能能够向下兼容辅助电池。将动力电池与辅助电池匹配集成，能够提升辅助系统性能(延长电池放电持续时间和提升电池放电功率)，并有效减少设备安装空间和重量、降低系统采购成本、减少电池系统检修维护工作量。

龙源,男,硕士研究生学历,湖南涟源人,高级工程师,就职于中车株洲电力机车有限公司,研发经理,主要研究轨道交通新能源技术方向。