钛酸锂电池在轨道交通车辆中的应用研究

李辉光,邵克成

(中车浦镇阿尔斯通运输系统有限公司 工程中心,安徽 芜湖 241060)

采用车载储能供电的轨道交通车辆不仅具有传统轨道交通车辆的优点,而且还可以通过储能系统充分回收制动能量,提高能量利用效率;同时也可以降低牵引供电网的需求,减少网侧故障及安全隐患,进一步降低建设成本和缩短工期,提升城市规划的柔性。随着新型能源技术和车载储能技术的不断发展,超级电容、锂动力电池、氢燃料电池及其混合动力装置在车辆中得到了大力推广和广泛应用[1-3]。本文基于车载储能供电轨道交通车辆对动力电池的应用需求,从多个方面对不同类型的动力电池进行了对比分析,介绍了钛酸锂动力电池在轨道交通车辆中的应用情况,对某导轨式胶轮车辆牵引主电路中动力电池的应用和选型进行了详细说明。

1 轨道交通车辆动力电池应用需求和性能对比

城市轨道交通车辆具有使用寿命长、运营时间长、载客量大的特点,频繁经历启动、惰行、减速和停车等工况。为适应车辆的运营特点,动力电池应能够长时间提供恒定能量和瞬时提供大功率输入/输出能量,这就对动力电池的性能和安全性提出了更高的要求。

目前城市轨道交通车辆普遍采用铅酸蓄电池和镍镉蓄电池,它们虽然工艺成熟,价格低廉,但存在电池能量密度低、循环寿命短、充电时间长、质量和体积大、易产生重金属污染等缺点,因此它们可以用作车辆辅助电池,不宜用作动力电池。随着锂电池技术的迅速发展,因其具有输出功率大、能量密度高和循环寿命长等优点,可以作为动力电池,使轨道交通车辆在无供电网的情况下,不需要频繁充电而运行。三元锂、磷酸铁锂和钛酸锂等几种常见典型锂动力电池的性能参数对比见表1[4-6]。

表1 几种常见典型锂动力电池的性能参数对比

1.1 安全性

城市轨道交通车辆作为公共交通工具,载客量大,安全性要求高,车载动力电池不应成为车辆正常运行的安全隐患。

钛酸锂电池的负极材料为钛酸锂,电位平台为1.55 V,避免了三元锂电池和磷酸铁锂电池在低温、大倍率充放电情况下锂离子的析出和锂枝晶的生长,大大降低了电池内部短路的风险。当电池内部出现短路时,以石墨为负极的三元锂电池和磷酸铁锂电池储存的能量会快速大量释放,进而触发电池热失控,导致电池冒烟、着火;而钛酸锂电池在短路周围的钛酸锂负极呈现高阻态,从而限制短路电流和抑制电池发热。针刺试验表明,钛酸锂电池不冒烟、不着火,安全性最高;磷酸铁锂电池会出现冒烟的情况,但是不着火,安全性次之;三元电池会直接着火,耐高温性能和安全性较差。

1.2 功率密度

为保证车辆能够达到较高的启动加速度,车载动力电池应具有较大的输出功率。在安装空间和轴重的限制下,要尽可能地减小电池的体积和质量,同时要求电池系统具有较高的功率密度和充放电倍率。

钛酸锂电池的持续充放电倍率和最大瞬时放电倍率最大,功率密度最优,三元锂电池次之,磷酸铁锂电池最差。钛酸锂电池更适合大倍率充放电和大功率牵引/制动,车辆在折返线或始发站/终点站经过短时间充电即可投入运营。

1.3 能量密度

为保证车辆达到较远的行驶距离,车载动力电池对存储能量的需求较大。在安装空间和轴重的限制下,要尽可能地减小电池的体积和质量,同时要求电池系统具有较高的能量密度和系统成组率。

三元锂电池的单体能量密度最优,磷酸铁锂电池次之,钛酸锂电池最差;磷酸铁锂电池的系统成组率最高,三元锂电池和钛酸锂电池相当。

1.4 环境适应性

城市轨道交通车辆的工作环境温度变化大,变化范围为-25～+45 ℃。因此,动力电池应具有低温放电能力,在低温工况下能够正常充放电,钛酸锂电池的低温性能最优,三元锂电池次之,磷酸铁锂电池最差。磷酸铁锂电池在-20 ℃时可用放电容量仅为常温时的30%左右,且在0 ℃以下不允许充电。考虑到运行环境和车辆性能需求,磷酸铁锂电池系统需要增加加热和保温措施,而这样会增加系统运作的复杂性和成本。钛酸锂电池在-20 °C时仍能够释放80%的容量,且放电速度远高于磷酸铁锂电池。

1.5 循环寿命

城市轨道交通车辆使用寿命长,为避免车辆在30年的使用寿命周期内频繁更换电池,要求电池系统具有较高的使用寿命,从而降低全寿命周期的成本。

钛酸锂电池的循环寿命最高,磷酸铁锂电池次之,三元锂电池最低。虽然钛酸锂电池的单次采购成本较高,但考虑到循环寿命的因素,在电池的使用寿命周期内,三元锂电池的吞吐电量成本(吞吐电量成本=单次系统采购成本/持续工作循环寿命)最高,钛酸锂电池与磷酸铁锂电池相当。

从以上分析可以看出,钛酸锂电池虽然能量密度较低,但其在安全性、功率特性、充放电倍率、循环寿命、环境适用性等方面具有明显优势。因此,在运行于无牵引供电网线路的轨道交通车辆上,钛酸锂电池作为车载储能供电装置得到广泛应用[7-10]。

2 钛酸锂电池在轨道交通车辆中的应用

2.1 超级电容+钛酸锂动力电池

2020年和2021年先后开通的广州黄埔有轨电车1号线和文山州现代有轨电车示范项目4号线,列车采用4模块编组,设计最高运行速度为70 km/h,均采用超级电容和钛酸锂电池混合储能供电。在中间站对超级电容进行短时充电,在起始站对动力电池充电,用于通过无供电线路的站间区间,这样能够提升列车的续航能力和爬坡能力,满足坡道多、坡道长、坡度陡的线路需求。

2.2 氢能源+钛酸锂动力电池

2019年,佛山有轨电车载客运营,列车采用3节编组,总载客量超过360人,最高运行速度为80 km/h。车辆采用“燃料电池+动力电池”的混合动力结构,配置最大净输出功率为200 kW的质子交换膜燃料电池系统和88 kWh的钛酸锂电池,搭载6个35 MPa的储氢罐,可存储20 kg氢气,续航里程达到150 km。

2.3 钛酸锂动力电池

在线路区间不是特别长且车辆安装空间允许的情况下,可单独采用钛酸锂电池。2019年,爱尔兰的都柏林项目招标,要求车辆既能在有接触网的线路上运行,也能在最长距离为35 km的无电力设施的线路上运行,且仅允许在始发站设置充电装置,电池需要满足每天运营的要求,使用寿命不得低于9年(充放电次数需要达到3万次以上)。针对项目要求,“受电弓+大功率钛酸锂电池”作为动力源的混合动力驱动方式成为各车辆厂动力配置的首选。

在国家科技支撑计划项目《下一代地铁车辆技术研究及示范应用》中,开展了采用钛酸锂电池作为储能供电系统的研究,以期实现以下目标:

(1) 实现制动能量本地吸收,并根据需要供牵引和辅助电源使用,提高整车效率;

(2) 实现正线电网断电时的车辆自牵引,提高车辆的应急情况处理能力;

(3) 实现车库内的无电网运行,提高车辆库内的检修便利性。

相关研究成果已应用于昆明地铁5号线车辆。

3 导轨式胶轮车辆电池系统选型设计

导轨式胶轮系统是一种新型低运量轨道交通制式,车辆采用车载储能供电,中央导向,橡胶轮胎行驶,具有噪声低、振动小、线路适应性强的优点,具有广阔的应用前景。

3.1 列车系统方案

某导轨式胶轮系统列车采用3辆车编组,通过贯通道连接。编组方式为:+Mc-T-Mc+。列车主要性能参数如表2所示。

表2 列车主要性能参数

列车供电主回路如图1所示,车辆在无牵引供电网区段由动车上的钛酸锂动力电池提供牵引动力,回收制动能量,并向直流空调供电;在有牵引供电网区段通过拖车上的受流器经高压箱提供牵引动力和向动力电池充电;在库内停车或调试时通过国标插座向动力电池充电。辅助电源箱内包含DC 24 V蓄电池、AC 380 V电源模块及DC 24 V电源模块。

图1 列车供电主回路

3.2 动力电池系统选型设计

动力电池系统在选型设计时应遵循以下原则:

(1) 电压范围覆盖牵引系统的恒功率电压范围,最高电压尽量匹配恒功率电压的最大值并且不超过系统最高电压;

(2) 在标称电压下,电池系统的充放电电流在其持续充放电电流附近,并尽量降低;

(3) 当电池系统发生单点故障或在恒功率电压为最小值时,电池系统的充放电电流小于其最大充放电电流。

动力电池系统选型设计流程如图2所示。

图2 动力电池系统选型设计流程

在AW3载荷下,导轨式胶轮列车在平直道运行的牵引/制动特性曲线如图3所示。

图3 AW3载荷下导轨式胶轮列车在平直道运行的牵引/制动特性曲线

列车功率P、电压U、电流I、速度v和力F之间的关系如式(1)所示:

P=UI=Fv

(1)

其中牵引模式下最大牵引功率为760.5 kW;制动模式下最大制动功率为1 136.7 kW。在不同供电电压下,列车牵引系统的功率特性如图4所示。在牵引模式下,在600～820 V供电范围内,最大牵引功率保持为760.5 kW;在制动模式下,在620～820 V供电范围内,最大制动功率保持为1 136.7 kW;从820 V到系统允许的最高电压900 V,功率线性下降为0。

图4 列车牵引系统的功率特性曲线

根据最大牵引功率的电压范围计算得到标称电压U=(600+820)/2=710 V。整列车辅助系统功率取60 kW,由式(1)得到恒定功率下牵引最大电流I=(760.5+60)/710=1 155.6 A,制动最大电流I=1 136.7/710=1 601 A。

基于选型设计原则,结合车辆的电流、电压需求,根据表1中钛酸锂电池的性能参数,确定电池成组方式如下:

(1) 14个70 Ah钛酸锂电池单体串联形成1个电池模组;

(2) 22个电池模组串联形成1个电池标准箱储能装置;

(3) 4个电池标准箱并联形成列车的动力电池系统,性能参数如表3所示。

表3 电池储能系统性能参数

由表3可以看出,动力电池储能系统最高电压略高于牵引系统恒功率电压的最大值,小于系统允许的最高电压;持续放电电流略低于标称电压下所需的电池系统持续放电电流;标称电压下所需制动最大电流虽然大于电池系统的持续充放电电流,达到了1 601 A,但持续时间较短,且远远低于最大充放电电流。

当电池电压为牵引系统恒功率电压的最小值时,最大充放电电流分别为1 367.5 A和1 833.4 A,低于最大充放电电流。当某一电池标准箱发生故障时,其余3个电池标准箱提供的电压不变,标称电压下最大充放电电流分别为1 540.8 A和2 134.7 A,低于最大充放电电流。因此,设计的动力电池系统符合选型设计原则,满足列车牵引、制动所需的供电电压、电流。

动力电池系统存储电能为198 kWh,考虑到电池寿命、充放电效率和制动馈能需求,电池SOC的最佳工作区间为25%～75%,对应电量为99 kWh。

基于列车牵引系统特性及辅助系统功率为60 kW,进行了某典型项目在AW3载荷下往返运行的能耗仿真,结果表明列车每公里能耗为4.9 kWh,在电池SOC最佳工作区间内可行驶距离约为20 km,在持续充电的情况下,补充该电量所需时间约为7 min。

4 结束语

钛酸锂动力电池在保证安全的前提下,能够快速充放电,并满足一定的运营里程要求,降低了对牵引供电网的要求,消除了安全隐患,在轨道交通车辆特别是中小运量/里程轨道车辆中具有广阔的应用前景。本文针对采用钛酸锂动力电池的某导轨式胶轮列车,设计了供电主回路,给出了动力电池系统的选型设计流程和原则,确定了动力电池的成组方式和性能参数。分析表明,设计的动力电池系统符合电压覆盖范围和充放电电流需求,满足列车的牵引制动性能要求。在电池SOC设计的工作范围区间25%～75%内,列车可行驶距离约为20 km,在持续充电的情况下,补充该电量所需时间约为7 min。