土耳其安卡拉地铁项目车辆蓄电池设计

陈艳艳，黄志华

(南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001)

1 概述

土耳其安卡拉地铁项目车辆(以下简称安卡拉地铁车辆)为第三轨上部受流的不锈钢车辆，采用80 km/h速度等级、两动一拖三节编组列车，最大载客量1035人，与国内的A型不锈钢车辆基本类似。蓄电池主要为紧急通风、应急照明、门控和门驱动、控制系统、乘客信息系统等提供DC110 V紧急备用电源。应急电源在车辆故障时有着重大的影响，因此，蓄电池的设计至关重要。

本文从蓄电池类型、使用环境、重量、体积、容量计算等方面阐述安卡拉项目地铁车辆蓄电池选型方法，并简要介绍了蓄电池箱的设计。

2 蓄电池技术要求

2．1 运行条件

使用环境:车辆将在隧道中运行，部分在地面上。维护场地位于地面上或地下。

使用温度:－25℃ ～40℃

最小存储环境温度:－35℃

蓄电池在安卡拉项目气候条件和线路条件下，使用寿命不低于10年。由于安卡拉当地低温达到－25℃，低温影响电池性能比较大，会较大地增加电池容量。

2．2 车辆要求

在AW4状态下车辆轴重不超16．5 t，由于车辆是不锈钢车体，因此车体比铝合金车体要重，考虑到轴重因素，根据设备布置要求，将3台辅助逆变器和2组蓄电池全部布置在拖车上，设备布置较紧凑，且受限界影响，分配给蓄电池的空间较小。

车辆所有系统都要进行轻量化设计，要求两组蓄电池(含箱体)重量不得高于1300 kg，而通常设计的A型铝合金车辆蓄电池(含箱体)重量达到2000 kg以上。

2．3 紧急负载

当整列车无高压电源输入，蓄电池必须能给紧急照明、紧急通风等规定的紧急负载供电60 min，整列车紧急负载功率计算为14．3 kW，而国内同型城轨车辆紧急负载功率通常都在10 kW左右。

3 蓄电池选型设计

3．1 蓄电池类型确定

目前，用于铁路机车和城轨车辆的蓄电池类型主要有铅酸蓄电池、镍镉碱性蓄电池，由于土耳其用户对锂电池较感兴趣，因此，在对蓄电池进行选型设计时，也对锂电池性能及应用进行了详细了解。

铅酸蓄电池由于低温放电性能较差，选型需求容量较大，从而导致体积和重量不能满足车辆要求。因此，本文主要将锂电池和镍镉碱性蓄电池进行了简要对比，如表1所示:

表1 镍镉碱性电池与锂电池的性能对比

序号 项目 镍镉电池 锂离子电池9 振动冲击/防火完全满足城轨车辆项目对振动冲击/防火等各国际标准的要求。 锂电池目前都达不到相关要求，也提供不出实验报告。10 在轨道车辆的应用 主要用于轨道车辆的后备应急电源。 锂电池常用于能量收集和施放的应用领域，主要是节约能源方面;在轨道交通的应急电源方面才开始应用。11 使用温度正常工作适用温度范围宽:－30℃ ～+50℃，耐极端温度范围:－50℃ ～+70℃。正常工作适用温度范围窄:首先，充电温度范围:0℃ ～45℃，小于0℃以下不能充电，当小于5℃时需用加热片加温，－25℃加热到5℃需要约40 min。加热系统会损耗能量;其次，放电温度范围:－25℃ ～55℃。12 寿命 设计寿命达到15年，经实际验证可靠使用寿命超过10年。目前了解锂电池设计寿命8年，使用最长才用到3年，实际使用寿命还没有得到实际验证。

综上所述，锂电池适用温度范围窄，控制系统较复杂，可靠性差，使用寿命尚未得到验证，不能够满足用户10年要求;因此，从可靠性、低温性能、使用寿命、重量、体积等方面，该项目电池类型确定使用镍镉碱性蓄电池。

3．2 蓄电池容量计算

不同厂家，不同型号，不同倍率的电池放电性能都不一样。下面以地铁车辆常用的中倍率碱性镍镉蓄电池的放电性能来计算蓄电池容量。

列车充电机输出电压110～137．5 V，蓄电池的单体浮充电压按1．455 V计算，该系统使用蓄电池的只数定为80只，其浮充电电压1．455×80=116．4 V，处于充电机输出电压范围。

列车要求蓄电池提供的功率为14．3 kW。

蓄电池组的平均放电电流=功率/蓄电池组的平均放电电压 14．3 kw/［80 × (1．05+1．2)/2］V≈158 A。

蓄电池供电60 min需要的净容量C0=158×60/60=158 Ah。

考虑浮充充电效率、低温－25℃下的放电效率及使用寿命10年的老化系数等影响因素，蓄电池实际容量为:

蓄电池容量C=C0÷Kt÷η×a=158÷0．65÷0．90÷0．9≈300 Ah。

C0——不考虑任何影响系数下的蓄电池净容量，158 Ah;

Kt——蓄电池在 －25℃温度下放电的容量修正系数，0.65;

η——蓄电池的充电效率，0．90;

a——蓄电池老化修正系数，0．9(蓄电池的设计寿命15年，使用10年后的容量系数大约为0．9)。

每列车采用两组蓄电池并联，每组电池的容量需150 Ah，选用电池规格为160 Ah中倍率镍镉电池能满足紧急负载放电要求。

根据蓄电池技术要求，选用的电池不仅性能可靠、放电性能满足整车紧急负载要求，且低温放电性能佳，重量轻，体积小。但是，国内外蓄电池厂家的160 Ah中倍率镍镉电池都不能满足整车重量和空间要求。为了解决重量和空间问题，选用一种高倍率电池，块状结构、空间最优化，体积和重量比传统H型S/PBE镍镉蓄电池分别少30%和40%，，低温放电性能极佳，Kt达到 0．8。

蓄电池容量 C=C0÷Kt÷η×a=158÷0．8÷0．90÷0．9≈244 Ah，每组蓄电池容量需122 Ah，选用规格130 Ah的高倍率镍镉蓄电池可满足紧急负载要求。

4 蓄电池箱设计

一列车共有两组蓄电池，含160节130 Ah电池，安装于车辆的T车车底下的两个蓄电池箱内，两组蓄电池(含箱体)重量不高于1300 kg，蓄电池箱所占空间满足车辆要求。

4．1 主要构件描述

80节130 Ah蓄电池装于一个蓄电池箱内，蓄电池箱采用悬臂结构，蓄电池斗可以全部拉出箱体，以便于对蓄电池进行定期维护。箱体由两部分构成:

电池箱，包含装于滚轮上的电池块以及一个温度传感器。

熔断器箱，包含一个熔断器，一个温度传感器配备连接器和两个电缆旋紧件。

蓄电池外形及结构组成详见图1。

图1 蓄电池箱结构组成

4．2 电池排列

蓄电池130 Ah×80由2个相同电池组130×40装箱而成，具体包括:

8个130 Ah～5+L电池块;

8个130 Ah～5+R电池块。

电池块由带有内置注水系统的聚丙烯壳体做成。每个电池块都包络在一个金属凸缘内，不会出现移位。

4．3 温度传感器

每组蓄电池130 Ah×80配有一个与带孔硬质连接片相连的NTC传感器10 kOhms组件。

4．4 注水回路

每组蓄电池130 Ah×80包含2个中央注水系统，使得加水维护变得便利。

每个内置于电池块的中央注水系统，可让所有电池块从一个中央水槽得到补水。水压连接器可用于注水，而不带阀控的接头可以使水排出蓄电池。注水回路详见图2。

图2 注水回路

4．5 熔断器箱

熔断器箱包含:

一个熔断器;

一个温度传感器配备连接器;

两个35 mm2导线接头和装在箱体上的两个电缆旋紧件。

5 结语

蓄电池设计是一个综合考虑的过程，不仅需根据用户要求、使用环境、电池性能等条件，车辆要求往往也是影响设计的重要因素。本文浅析了用于土耳其安卡拉不锈钢车辆的蓄电池设计，因受用户要求、车辆轴重、设备布置空间影响，对蓄电池设计增加了难度。通过从类型、温度特性、重量、体积等方面分析，选用130 Ah高倍率镍镉蓄电池，并对箱体进行紧凑设计，使得设计满足了合同要求和车辆要求。

［1］IEC 60623－2001方形开口镉镍可充电单体蓄电池［S］．

［2］杜玉峰，王晓勇．新加坡电力蓄电池双能源工程车牵引蓄电池的选型设计［J］．电力机车与城轨车辆，2011(3)．

［3］王庆召，刘东广．深圳地铁5号线车辆蓄电池的选型分析［J］．电力机车与城轨车辆，2011(2)．