鋰離子電池在動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用

1、鋰離子電池在動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用鋰離子電池在動(dòng)車組幫助電源系統(tǒng)的應(yīng)用 引言：中國(guó)高鐵的建設(shè)和進(jìn)展，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)展提供安全可靠、高速度、大容量運(yùn)力保障，進(jìn)一步緩解鐵路運(yùn)力緊急、提高運(yùn)輸服務(wù)品牌和運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的重要舉措。高鐵在走出去的過程中， 必需加快鐵路核心技術(shù)的全面自主化工作，要形成完好的標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的研制，以及高鐵運(yùn)營(yíng)的完好體系。高速列車的輕量化水平不僅直接確定了高鐵運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性、舒適性、能耗和對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的噪聲影響，是高鐵提速的關(guān)鍵影響要素。其中幫助電池系統(tǒng)的高性能、輕量化和長(zhǎng)壽命也是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要部分。 1、動(dòng)車組幫助系統(tǒng)蓄電池的進(jìn)呈現(xiàn)狀1.1 動(dòng)車組幫助

2、蓄電池組的要求動(dòng)車組幫助蓄電池組的主要功能是車輛在接觸網(wǎng)電壓缺失或者變流器故障等狀況下，作為應(yīng)急備用電源向車內(nèi)負(fù)載如照明、升降弓等供電，要求電池具有以下特性：重量輕，適應(yīng)動(dòng)車組輕量化設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行的高安全性和低能耗；功率特性好，可滿足動(dòng)車組大電流放電的需要；溫度適應(yīng)性寬廣，能夠在-40-60的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作；長(zhǎng)壽命，電池的壽命長(zhǎng)，降低電池更換工作量和運(yùn)營(yíng)本錢；安全性好，電池的安全性高，能有效的保障車輛運(yùn)行的安全；能夠適應(yīng)動(dòng)車組行駛時(shí)振動(dòng)的要求，自放電低，無污染環(huán)境，無記憶效應(yīng)，回收利用性好等。1.2 動(dòng)車組幫助蓄電池組的進(jìn)展現(xiàn)有的蓄電池主要包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電

3、池。目前動(dòng)車組用幫助蓄電池主要有兩大類：一類是鉛酸電池，一類為堿性鎳鎘電池。長(zhǎng)期以來，鉛酸電池以其工藝成熟、性能穩(wěn)定、售價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的使用；但由于其重量和體積大、充電時(shí)間長(zhǎng)以及壽命短，使得鉛酸電池不能滿足現(xiàn)代動(dòng)車組高效運(yùn)營(yíng)的要求。與鉛酸電池相比，鎳鎘電池大電流放電特性好、耐過充放能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)潔，在動(dòng)車組上得到了廣泛的應(yīng)用，但由于具有記憶效應(yīng)、能量密度較低、含重金屬存在環(huán)境污染等限制了鎳鎘電池的持續(xù)進(jìn)展。鋰離子電池是20世紀(jì)90年月進(jìn)展起來的，具有量密度高、壽命長(zhǎng)、充放電效率高和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，最初的鋰離子電池原料以鈷酸鋰為主，后來陸續(xù)推出了錳酸鋰、三元和磷酸鐵鋰等體系的電池，電池

4、的安全性和循環(huán)壽命有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命分別到達(dá)600次和2000次，并在電動(dòng)汽車等場(chǎng)合得到了推廣應(yīng)用。但由于上述電池均接受碳作為負(fù)極，低溫環(huán)境下，鋰的嵌入和脫出負(fù)極能力下降，因此電池的最低充電溫度都接近0，這不能滿足動(dòng)車組使用的需要。近年來推出了以鈦酸鋰為負(fù)極的鈦酸鋰電池。該電池在電池能量密度略有下降，但電池的溫度適應(yīng)性、電池壽命、安全性等都有大幅的提升。綜合考慮動(dòng)車組對(duì)蓄電池的低溫性能、使用壽命、安全性、能量密度等方面的要求，鈦酸鋰電池是目前最適合在動(dòng)車組上使用的電池。2、鈦酸鋰電池的性能目前在世界上主要的鋰離子電池生產(chǎn)國(guó)家有日本、韓國(guó)、美國(guó)和中國(guó)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)制定

5、了嚴(yán)格的鋰離子電池的安全檢測(cè)規(guī)范，并且已有許多種規(guī)格的鋰離子電池通過了檢測(cè)，可以保證正常使用狀態(tài)下的安全。2.1 鈦酸鋰電池的性能鈦酸鋰電池是近幾年來剛剛進(jìn)展起來的一種新型鋰離子電池，其突出特點(diǎn)是安全性好、倍率特性好和壽命長(zhǎng)。測(cè)試顯示，鈦酸鋰電池不管是常溫還是高溫下，即使是大倍率循環(huán)，均表現(xiàn)出了良好的容量穩(wěn)定安全測(cè)試。鈦酸鋰電池由于負(fù)極對(duì)鋰的電位高達(dá)1.55V，在過充時(shí)不會(huì)像常用的石墨負(fù)極那樣出現(xiàn)鋰枝晶，因此給予了它可以大電流充電的特質(zhì)，并且過充安全性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于石墨負(fù)極。通過以上分析和測(cè)試可見，鈦酸鋰電池的安全性相對(duì)最好，并且在使用鈦酸鋰電池后，蓄電池組在重量及性能等方面均有顯著優(yōu)勢(shì)，因此將鈦

6、酸鋰離子電池應(yīng)用到動(dòng)車組上的方案是可行的。3、鈦酸鋰離子電池成組技術(shù)為了到達(dá)肯定的電壓、功率和能量等級(jí)，動(dòng)車組用的幫助電池需要串聯(lián)成組使用。由于生產(chǎn)和使用過程中的不一致，電池之間的差異性客觀存在。為保證鋰離子電池組在使用的過程中不出現(xiàn)過充點(diǎn)、過放電，在過高或過低的環(huán)境溫度中使用降低其使用壽命，鋰離子電池組需電池治理系統(tǒng)和充電器協(xié)作，來保障鋰離子電池組的安全使用，并延長(zhǎng)其使用壽命。3.1 電池治理系統(tǒng)在電池使用過程中，電池治理系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的檢測(cè)每個(gè)電池電壓、溫度、電池組工作電流；并對(duì)電池組的荷電狀態(tài)和最大同意充電電流進(jìn)行估算；根據(jù)檢測(cè)到的電池信息，對(duì)電池的故障狀態(tài)進(jìn)行診斷和定位；必要的時(shí)候可啟動(dòng)風(fēng)

7、機(jī)，實(shí)施熱治理；通過總線與充電機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，將單體電池電壓、溫度和電池組故障狀態(tài)準(zhǔn)時(shí)反映到充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)充電過程的多變量閉環(huán)操縱，保障充電過程安全；極限狀況下可切除電池，防止出現(xiàn)安全隱患。4、動(dòng)車組幫助系統(tǒng)蓄電池應(yīng)用方案4.1 動(dòng)車組幫助系統(tǒng)蓄電池的基本工作模式幫助系統(tǒng)蓄電池接受鋰離子電池組，由于鋰離子電池自身特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)全新幫助系統(tǒng)的時(shí)候需考慮幾點(diǎn)問題。1、建立充電機(jī)與BMS之間的通信，從而使充電機(jī)能夠依據(jù)BMS指令對(duì)電池組進(jìn)行充放電操縱，到達(dá)延長(zhǎng)電池壽命，提高電池系統(tǒng)利用率的目的。2、引入整車上下電信號(hào)操縱到電池系統(tǒng)，保證整車上下電時(shí)，愛護(hù)開關(guān)的正確規(guī)律及下電后BMS斷電，削減BMS對(duì)電

8、池系統(tǒng)的能量消耗，防止長(zhǎng)時(shí)間停車時(shí)電池過放。3、在應(yīng)急供電狀況下，切斷分級(jí)負(fù)載的電壓閥值需要依據(jù)鋰電池配置進(jìn)行更改。4.2現(xiàn)有車輛蓄電池應(yīng)急電源系統(tǒng)改造方案在現(xiàn)有車輛蓄電池應(yīng)急電源系統(tǒng)中，由于充電機(jī)與電池系統(tǒng)沒有通訊接口，因此可僅更改充電機(jī)內(nèi)部操縱參數(shù)，使其適應(yīng)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電；電池組的過充、過放愛護(hù)由電池組內(nèi)部完成。此模式下，電池系統(tǒng)的充電電流僅由充電機(jī)操縱，操縱敏捷性稍差。整車上下電操縱信號(hào)與蓄電池電壓閥值仍需要改造。4.3電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)通過對(duì)整個(gè)電池組的工作狀態(tài)及潛在故障統(tǒng)計(jì)分析，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮系統(tǒng)的其潛在失效模式，保證系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。對(duì)單體電池的

9、電壓檢測(cè)，幸免單體電池過充、過放。對(duì)電池系統(tǒng)溫度檢測(cè)，保證電池系統(tǒng)不工作在過溫或低溫狀態(tài)。對(duì)電池系統(tǒng)電流檢測(cè)，保證電池系統(tǒng)不工作在過流狀態(tài)。均衡治理，保證電池組各節(jié)電池的一致性。電池單體及電池組故障處理故障處理接受分級(jí)處理的模式，對(duì)不同的故障狀況進(jìn)行分級(jí)分析，并通過通訊上報(bào)故障信息。依據(jù)電池的特性及電池組工作狀況對(duì)各故障進(jìn)行分類，依據(jù)故障的嚴(yán)峻等級(jí)進(jìn)行分類，分為一、二和三級(jí)故障，處理故障方式分別為告警、降功率運(yùn)行和切斷功率回路。電池系統(tǒng)中配備加熱設(shè)備，在環(huán)境溫度過低時(shí)開啟加熱保證其工作在理想工作溫度范圍內(nèi)。4.4 電池系統(tǒng)的可維護(hù)性設(shè)計(jì)電池治理系統(tǒng)在電池系統(tǒng)使用過程中會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)鋰電池系統(tǒng)狀態(tài)。電池治理系統(tǒng)具有電池均衡功能，通過對(duì)各電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，依據(jù)均衡操縱策略