中低速磁浮列车悬浮蓄电池选型设计研究＊

李林

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

中低速磁浮列车利用悬浮电磁铁的电磁吸力使列车悬浮于轨道上，通过直线电机牵引列车前进。由于磁浮列车部分运行线路的不平顺与车轨耦合等因素，悬浮电磁铁中的电流会产生波动，从而导致列车悬浮不稳，需要补偿列车330V电源的能量及调节和稳定330V母线电压。同时，中低速磁浮列车运行时若发生供电故障，悬浮力将消失而引起落车。中低速磁浮列车的悬浮电磁铁是解决上述问题的关键设备，当车辆悬浮电源失效时作为悬浮系统的救援电源使用，因此本文针对长沙磁浮列车的需求特点，进行悬浮蓄电池的选型设计分析。

1 悬浮供电的结构及特点

如图1所示中低速磁浮列车每节车设置一台330V悬浮电源（DC/DC变流器）及一组330V蓄电池箱，DC330V电网贯穿全车提供330V电能给悬浮控制器，悬浮电源兼作蓄电池充电器［1］。

图1 悬浮供电电网

DC330V通过低压柜配电，分配给20个悬浮控制器;图2中悬浮控制单元的悬浮控制器控制1个电磁铁上的2个磁极；2个磁极采用串联方式［2］。每个悬浮控制器采集悬浮传感器输出的悬浮间隙与加速度信号，通过算法模型得到电磁铁所需的电磁吸力，控制悬浮电磁铁需要的电流。

图2 悬浮控制单元

2 车辆对悬浮蓄电池的要求

2.1 悬浮控制补充调节作用

经过不同轨道基频或不平顺的路段时，悬浮控制器通过其算法改变电流车抑制车辆在道岔、共振，实现车辆无接触运行。悬浮控制器调节过程中，悬浮电磁铁中的电流会产生波动，需要蓄电池及时补偿列车330V电源的能量及调节和稳定330V母线电压。

图3是中低速磁浮列车运行速度与悬浮蓄电池充放电流、电压波关联图，列车运行过程中，蓄电池的充放电流一致存在；列车静态悬浮时，蓄电池充放电流相对较小，随机也会产生尖峰。

图3 蓄电池的补充调节过程数据记录图

2.2 车辆应急故障及救援

悬浮蓄电池满足单独实现整列车的悬浮15min需求。中低速磁浮列车采用3节或6车编组，每节车有5个悬浮架，每个悬浮架有左右两个悬浮块，每个悬浮块安装4个电磁铁。每个电磁铁装有4个磁极。在电磁铁上的线圈通电时，产生很强的电磁吸力来实现悬浮，保证列车无接触运行。根据磁浮列车HSST-100L的经验公式，1T对应的功率P=0.004V+0.7，效率取0.9，对应的单位kW。中低速磁浮列车每节车AW3工况，车重约为33.4T，则功率为：

P=（0.004×100+0.7）×33=36.3kW

每节车蓄电池的容量不小于

C=P*T-36.3*0.25=9kW

2.3 整车对蓄电池要求

中低速磁浮列车为电磁悬浮，对其自重有严格要求，为增大载重及提高列车运行可靠性，在进行蓄电池需求分析的基础上，对其轻量化、高能量密度的蓄电池选型研究具有重要意义。

3 蓄电池匹配分析

3.1 蓄电池类型确定

动力型电池主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池以及传统的铅酸电池。与其它蓄电池相比，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、快速充入电、自放电率低、工作温度范围宽、免维护和安全可靠等优点［3］。表1列出了三种主流的动力电池：三元动力锂电池、磷酸铁锂动力锂离子电池、钛酸锂动力锂离子电池。

表1 主流动力锂离子电池性能比较

3.2 安全及标准分析

锂电池技术目前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、调车机车多种车型，部分有轨电车项目已进入试运行及批量应用阶段。影响车辆安全的因素主要有电池着火、冒烟等风险，主要原因包括析锂、外部短路、内部短路、过充。锂离子安全的风险评估方面，借鉴电动汽车领域已经形成的较为完善的动力锂离子电池测试价体系，构建从单体、模块、系统三个层级，涵盖电池关键电性能、寿命和安全性三个面的电池综合性能的标准体系［4］。GB/T31485、GB/T31486、GB/T31486分别规定电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法、性能要求及试验方法、性能的测试方法。行业内，中铁路总公司标准系列TJ/JW125-2020、TJ/JW127-2020分别覆盖机车、动车组用锂离子动力电池综合性能评估、试验暂行技术规范。

中低速锂电池的保护功能由蓄电池管理系统BMS和车载控制系统两部分协调完成。车载控制系统主要依据BMS的监测结果完成对蓄电池组外部充/放电电路的控制，并在有危及蓄电池的情况下及时反馈；紧急情况下切除充/放电支路等措施对蓄电池组进行保护［5］。

3.3 电压及节数

（1）单体电压：单体电池为铝壳容器中装有高功率的磷酸铁锂单体电池。如图4所示，标称电压：3.2V，放电截止电压：2.3V，充电截止电压：3.65V。

图4 单体电池倍率放曲线

（2）节数与电网电压匹配：悬浮电源兼作蓄电池充电器，恒压限流方式进行浮充电。正常工况下，悬浮电网的电压维持在蓄电池饱和电压之上低于充电截止电压。以设定蓄电池单体的均衡电压点3.50V，取悬浮电源的设定电压335V，节数为：335/3.5=95.7，取96节。

第一阶段恒流充电阶段，充电电流Id一般设置为0.5-0.8C，悬浮控制高频震荡调节所需电流，取0.8C；升压（U0=331.2V，3.45伏/节）升压）充电转换至浮充电（340.8V，3.55 伏/节）浮充）。

4 蓄电池容量

单节车设置9kW蓄电池容量。综合最低可用放电电压、放电倍率、环境温度、容量衰减等因素，并结合悬浮控制系统稳定要求电压不易低于290V（折合单体电芯3.02V，约为容量0.85），蓄电池的理论容量：

其中，蓄电池-3℃以上低温放电能力为0.9，充电、放电倍率效率折算0.9，寿命系数为0.85，容量大约为46Ah。电池组由192节（96节×2）3.2V/23Ah电池模块和1个控制模块组成，一共192节型单体电池串并联组成，放在1个电池箱中，其电池组的标称电压为307.2V，最高电压为330V。

5 结论

酸铁锂蓄电池组在长沙磁浮快线上已于2016年开始投入运营，悬浮蓄电池的设计选型也在多年的安全运营中得到检验，满足中低速磁浮列车对悬浮蓄电池轻量化、高能量密度、高安全性、长循环寿命、低成本的要求。