锂离子电池中低速磁浮车辆上的应用

程　维,曹　芬（南车株洲电力机车有限公司　磁浮系统研究所,湖南　株洲　412001）

锂离子电池中低速磁浮车辆上的应用

程维,曹芬
（南车株洲电力机车有限公司磁浮系统研究所,湖南株洲412001）

文章主要介绍中低速磁浮车辆悬浮蓄电池的类型选型，并对悬浮蓄电池的电压、节数、容量的确定进行了分析。

中低速磁浮车辆；悬浮；蓄电池

1　概述

地铁车辆蓄电池在地铁车辆运行过程中起着很重要的作用,它不仅为列车各子系统提供DCllOV的控制电源,同时在紧急情况下可作为列车实施紧急通风和紧急照明的电源。轨道车辆蓄电池一般选用铅酸蓄电池或镍镉蓄电池。相较地铁车辆中低速磁浮车辆除控制蓄电池外，悬浮供电系统还配有一套悬浮蓄电池，作用是短时间补偿330V电源的能量及调节和稳定330V母线电压，且当车辆悬浮电源失效时作为悬浮系统的后备电源使用。这些特点决定了悬浮蓄电池应选用高倍率的动力型蓄电池。

2　悬浮供电系统及悬浮蓄电池的选型

2.1悬浮供电系统

中低速磁浮车辆每节车设置一台330V悬浮电源(DC/DC变流器）及一组330V蓄电池箱，DC330V电网贯通全车提供330V电能给悬浮控制器。悬浮电源兼作330V蓄电池充电器。

2.2悬浮系统对悬浮蓄电池的要求

悬浮系统对悬浮蓄电池的要求包括充、放电性能要求及蓄电池使用寿命、可维护性、安装体积、重量等要求。其中，充电时间不大于2h，放电时间在10min左右，而放电电流的大小需根据车辆悬浮输出功率进行计算得出。经计算，当车辆在悬浮蓄电池供电时，车辆悬浮系统持续输出功率P最大约在100kW左右，蓄电池的输出电流大约在100～130A左右。蓄电池组电压U=300V左右为最佳。

悬浮蓄电池的应用特点决定悬浮蓄电池应具有放电电流大，开路电压高，体积小、重量轻等特点。

2.3悬浮蓄电池类型的确定

在悬浮蓄电池的选型上,现阶段动力型电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等几种类型。但由于铅酸蓄电池大电流放电性能差、镍氢、镍镉电池其电压偏低、比能量低、体积偏大都不是很适合作为磁浮车辆悬浮蓄电池。而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、快速充放电、自放电率低、工作温度范围宽、免维护和安全可靠等优点。能够满足在中低速磁浮车辆放电电流大，开路电压高，体积小、重量轻等要求。

从表1中可以看出，同样一组的280V/40Ah电池组，锂电池与镍镉、铅酸电池相比，重量将减轻50-70%。体积减少30-50%。串联节数少了约2/3，使可靠性极大提高。使用寿命增加2倍，充放电性能、高低温性能、维护性能及自放电性能同样会大大提高。综合考虑在车辆上使用的安全性、比能量、使用寿命、使用温度等因素后。发现LiFePO具有较高的比能量以及良好的安全性，并且是最适合在车辆上使用的锂离子电池正极材料。因此，对于磁浮车辆而言，铁锂蓄电池作为悬浮后备电源是更好的选择。

2.4330V蓄电池电压及节数

确定了蓄电池类型后，相应蓄电池的单体电压也确定了，磷酸铁锂蓄电池的单体电压参数如下：

标称电压：3.2V；

表1　280V/40Ah磷酸铁锂电池与镍镉、铅酸电池性能比较

放电截止电压：2.3V；

充电截止电压：3.65V。

还需要确定蓄电池组的电压(即蓄电池单体数量)。蓄电池组电压的选取可按以下要求进行分析：

（1）与充电电源输出电压相匹配：悬浮电源对蓄电池组采用恒压限流方式进行浮充电。因此，悬浮蓄电池组的总电压应稍小于悬浮电源的设定电压338V，设定蓄电池单体的均衡电压点为3.50V，则蓄电池组所含单体电池个数338/3.50=96.57节，取96节。

（2）充电性能要求：330V蓄电池采用图1的充电曲线。

图1中，0～t0阶段为恒流充电阶段，充电电流Id一般设置为(0.5-0.8)C，将蓄电池单体电压充至3.45V之后，充电机设置为恒压充电，充电电流逐渐降低。中低速磁浮车辆为保证充电时间短，恒流充电电流Id设置在0.8C。

综合上述要求，可选取单体蓄电池个数为96节，即蓄电池组标称电压为U=3.2×96=307V。

3.5330V蓄电池容量

确定蓄电池组的电压U后，根据车辆发挥出的悬浮功率P及车辆故障运营要求，即可求得悬浮蓄电池的容量C。

根据磁浮车辆试验结果见表2，悬浮功率可按每吨消耗1.1kW计算。

表2　悬浮功率与车辆重量关系

则载荷总重量为99t的列车持续悬浮功率P=108.9kW。根据这个悬浮功率结合线路对车辆悬浮能力的要求可计算出悬浮蓄电池的容量。假定某线路对车辆悬浮能力的要求为当一台DC330V悬浮电源故障时，330V蓄电池紧急供电能够维持36min（0.3h）。则蓄电池放电电流为I=128.1A。列车需要消耗的蓄电池的容量为C1=76.66Ah。考虑蓄电池充电效率系数0.95，蓄电池温度系数0.9，蓄电池老化系数0.8，紧急负载下大电流放电倍率系数0.85。蓄电池的容量C=C1/0.95/0.9/0.8/0.85=131Ah

事实上，随着放电时间的增加，蓄电池容量减小，蓄电池组的电压也在降低。计算过程中也未考虑车辆起浮和过弯道消耗的能量。这样，上面的计算结果就成为不精确的计算结果。因此，在计算时可选择1．05倍设计裕量，即C=137.55Ah。可在每节车配置一组46Ah，三节车总容量138Ah的蓄电池组。

4　小结

磁浮车辆在国内还没有成熟的应用业绩，悬浮蓄电池的设计选型也需在实际运行中得到检验,同时也将在实际运行中寻求更合理,更安全的控制方法。