城轨车辆蓄电池性能分析与参数选型

刘秀美，徐崎姝，李　亮，马云峰

（中国北车集团大连机车车辆有限公司，辽宁大连　116022）

摘　要：简述了蓄电池在城轨车辆上的供电要求和选用原则，对城轨车辆常用的铅酸蓄电池、镍镉蓄电池两种蓄电池进行性能对比和论证选型，确定了蓄电池类型。对城轨车辆所有的紧急负载功率进行统计，计算出蓄电池需要提供的总容量，通过已经确定的单体电池参数，对蓄电池单体数量、电压和容量进行计算，进而确定蓄电池组的标称放电电流、推荐充电电流和短路电流参数。通过模拟运行试验，得到了充电电压与温度曲线，验证了参数选型的正确性。

关键词：铁路运输；城轨车辆；容量计算；铅酸蓄电池；镍镉蓄电池

城轨车辆用蓄电池是在紧急情况下为整车有关安全的紧急负载提供45min供电的设备，以保证车辆基本的通风、通信、照明和逃生等设备低负荷运行。蓄电池的可靠运行是车辆的安全保障，因而合理选择蓄电池的种类、数量和参数对保证城轨车辆和乘客的安全极其重要。

1　城轨车辆蓄电池设计要求

1.1　蓄电池的配置要求

以某B2型6辆编组（4动2拖）地铁电动客车为例分析计算。在Tc头车和尾车车下各配置1组蓄电池箱，蓄电池安装结构如图1所示。紧急情况下，2组蓄电池同时放电，以满足列车负载的用电需求。

作者简介：刘秀美，助理工程师，从事城轨车辆电气系统设计工作。

1.2　紧急供电要求

蓄电池组需要满足车辆在无网压时，蓄电池的容量能够给车辆内部照明、外部照明、紧急通风、车载安全设备、广播、通讯系统等设备提供45min的工作电量，并保证能够满足车辆开关1次车门和升降1次受电弓的用电要求。当网压恢复时，蓄电池电压能够保证可以启动静止逆变器。因此蓄电池组的容量设计除了要满足车辆紧急负载的工作要求，还要具有一定的冗余设计，以保证紧急情况下乘客的安全。

2　蓄电池选型

2.1　蓄电池选型原则

①先进性：性能优越，技术先进。②经济性：可维护性，寿命周期和可靠性等。③安全性：绿色环保，符合安全认证要求。④适用性：适用于城轨车辆使用频率高、启停频繁，必须具有高可靠性和低故障率。

2.2　蓄电池特性分析

目前城轨车辆采用的蓄电池产品主要有2种：胶体铅酸蓄电池、纤维结构电极式镍镉蓄电池。它们都具有使用寿命长、少维护、不漏液、终身无需换液等优点，都可选配电子化管理系统，实现动态监测，但其整体性能却有所不同[1]。

2.2.1　胶体铅酸蓄电池的优势

目前采用的混合胶体式阀控密封铅酸蓄电池采用胶体隔板和树根状板栅结构，根据其90余万千米的使用经验，该电池各项性能指标均能满足车辆的要求。

1）性能优越。胶体铅酸蓄电池具有更强的耐过充，更宽的温度使用范围，更长的使用寿命。采用紧装配技术，使极板隔板有良好的接触，电池电阻小，极板的活性物质不易脱落，具有优异的抗震性；因胶体有特大的热比容，因而电池不易发生“热失控”，而且还有抗过充/过放的自我保护能力，有电池内部“消弧”功能，大大提高使用的安全性。

2）环保性好。可避免废水、废电解液的产生，可解决使用场地镉、铅污染，充电过程中无酸雾逸出，电池内的有害物质不会危害接触者，废旧电池可合法持证有价回收，可实现资源化、无害化处理。

3）工作安全可靠。电池外壳完全密封，整个寿命周期内无需加液，可确保无渗漏。万一发生外壳破裂，胶体电解质不会溢流，仍可正常使用1～3个月。

4）全寿命周期成本低。整列车相比镍镉蓄电池全寿命周期成本更低。

5）采用卧式结构可减重。采用卧式密封电池及卧式电池箱可减轻车载蓄电池组总重量，降低车辆能耗。可在不改变车辆配重的基础上增大蓄电池容量20％。

2.2.2　纤维结构电极式镍镉蓄电池的优势

纤维结构镍镉蓄电池采用三维式的纤维结构和特殊的微孔隔离板，把活性物质镶嵌在纤维内，内阻极小，导电性好，重量轻，富有弹性[2]。

1）性能优势。该蓄电池具有优越的自放电性能、浮充电接受能力、过放电性能和低温性能，内阻小，具有较强的抗机械冲击能力。

2）免维护。使用中只需根据实际情况加蒸馏水，在使用寿命期内，无需更换电解液。

3）寿命。循环寿命：在20±5℃条件下，充放电循环3000次以上容量能够不低于额定容量的90％。使用寿命：在20±5℃条件下，使用寿命20年。

4）绿色环保。通过了ISO 14001：2004环境质量认证，在全寿命期内不用更换电解液，避免了更换电解液带来的废液污染。可回收处理，废旧蓄电池中的镉可循环利用。

5）安全性。符合标准DIN5510-2：2007的防火要求。

铅酸蓄电池价格低，无记忆效应，但是碱性镍镉蓄电池在快充能力、放电深度、使用寿命、低温性能、耐过充过放电能力和可靠性方面有更明显的优势[3]。在相同容量下，镍镉蓄电池体积小，重量轻。因而目前新建地铁项目中，车辆配置大部分采用碱性镍镉蓄电池。

3　蓄电池容量计算

当整列车无高压电源输入，蓄电池能给下列紧急负载供电45min[4-5]：全部紧急照明；全部头灯；所有与安全有关的控制系统；全部通信设备，包括列车广播、车载无线电等；客室（含司机室）50％通风；所有客室车门开关1次；受电弓升降弓1次。

3.1　紧急负载功率统计

续上表

由于DC24V是通过DC110V/DC24V变换器转换得到的，变换效率为0.85，P2=0.168/0.85=0.198kW。因此，紧急状态下6辆编组列车DC110V负载总计为：P0=P1+P2=24558W。

3.2　蓄电池总容量计算

3.2.1　计算单体蓄电池的数量

确定了蓄电池类型为镍镉蓄电池后，相应镍镉蓄电池的单体电压也确定了：额定电压U11=1.2V/只，浮充电压U12=1.5V/只，放电终止电压U13=l.0V/只。

还需要确定蓄电池组的电压，蓄电池组电压的选取可以进行如下分析：车辆DC110V电压范围为77～121V，根据碱性蓄电池应用经验，蓄电池放电终止电压可以达到1.0V，此时容量利用率较高，假设线路电压降为3V，且满足设备电压最低77V的要求，则所需单体数为（77V+3V）/1.0V/只≈80（只）。

3.2.2　计算蓄电池组电压范围

蓄电池组额定电压：U01=1.2V/只×80=96V。

在20°C，浮充电压U12=1.5V/只（温度补偿）。浮充电电压：U02=1.5V/只×80=120V。

在20°C，蓄电池以5h为放电时间，32A放电电流，则终止电压为1.0V。则放电终止电压：U03=1.0V/只×80=80V。

蓄电池单体在充满电的情况下，开路电压不低于1.29V/只。蓄电池组电压不低于：1.29V/只×76=103.2V。蓄电池组的浮充电电压略小于辅助逆变器的充电机输出电压，满足车辆DC110V电压范围要求。

3.2.3　计算蓄电池组总容量

蓄电池平均放电电流：I=P0/U01=24558/96≈255.8A。其中，I为平均放电电流；P0为负载功率；U01为蓄电池组的额定电压。

容量单独计算部分：

1）车门开关一次消耗容量C1：

在紧急工况下，整列车车门开关一次瞬间功率P3=7.68kW，开关门一次使用时间T1=7s，蓄电池组的终止电压U03=80V，则在紧急工况下，开关门一次实际需要消耗的蓄电池容量为：

C1=（P3/U03）×T1=（7.68×1000/80）×7/3600=0.187A·h。

2）受电弓升降弓一次消耗容量C2：

在紧急工况下，受电弓升降弓一次瞬间功率P4=0.8kW，升弓时间为8s，降弓时间为7s，所以T2=15s，蓄电池组的终止电压U03=80V，则在紧急工况下，受电弓升降弓一次实际需要消耗的蓄电池容量为：

C2=（P4/U03）×T2=（0.8×1000/80）×15/3600=0.042A·h。

3）蓄电池所需的总容量：

C0=C1+C2+C3=0.187+0.042+I×h=0.187+0.042+255.8×（45/60）=192.1A·h。

其中，C1为车门开关一次消耗容量，C2为受电弓升降弓一次消耗容量，C3为不考虑任何影响系数下的蓄电池净容量（不包含车门和受电弓）；I为平均放电电流；h为蓄电池放电时间，即紧急负载工作时间45min；

4）考虑低温、老化等因素后的蓄电池容量：

C=C0÷Kt÷η÷a=192.1÷0.8÷0.9÷0.9≈296.5A·h。

其中，C为蓄电池容量；C0为不考虑任何影响系数下的蓄电池净容量；Kt为蓄电池在低温下放电的容量修正系数；η为蓄电池的充电效率；a为蓄电池老化修正系数。

3.2.4　蓄电池组容量选择及参数确定

根据以上计算，整列车的两个蓄电池组的容量之和不能低于296.5A·h，即单个蓄电池组不低于148.2A·h。考虑容量冗余，选用180A·h的碱性蓄电池组，这样整车蓄电池组可提供360A·h的容量，在最恶劣情况下也能满足车辆紧急供电的要求。根据蓄电池速率对应值，平均放电电流/电池容量=255.8/2/180=0.71，因此选用中倍率蓄电池[6]。

最终确定选用180Ah的中倍率碱性蓄电池组，详细参数见表4。

4　模拟运算试验

将以上负载统计参数和蓄电池组选型结果输入城轨车辆蓄电池模拟运算系统，进行模拟运行试验，得出80只蓄电池组的技术参数[7]，输出结果见表5蓄电池组技术参数、表6紧急负载模拟运行试验结果。

通过以上模拟运行试验，得出蓄电池标准操作时，充电机的推荐充电曲线（图4）。充电过程为恒压限流方式，温度补偿-3mV/K/Cell，充电限流为1.5I5=42A。

根据试验结果，以I20=7A为浮充和均充的转换电流，在充电机程序中预先设置。

5　结论

通过对两种城轨车辆常用蓄电池对比分析，得出碱性镍镉蓄电池快充能力优越、放电深度大、使用寿命长、低温性能好、可靠性高、维护成本低、轻量化、小型化，因而选用碱性镍镉蓄电池。通过对紧急负载统计，计算出蓄电池组单体数量、电压范围和总容量，进而合理选择蓄电池组容量和速率。通过模拟运行试验验证了所选蓄电池容量合理可行。该蓄电池选型与计算方法可靠可行，可为城轨车辆蓄电池设计和牵引供电系统设计提供依据。

参考文献

[1]唐志侬.地铁列车常用蓄电池技术经济性分析及选型建议[J].现代城市轨道交通，2014（1）：56-62.

[2]Miller A R，Hess K S，Barnes D L，etal.System design of a large fuel cell hybrid locomotive[J].Journal of Power Sources，2007，173（2）：935-942.

[3]查小菲，唐朝辉.地铁车辆供电蓄电池合理选型分析[J].中国新技术新产品，2013（3）：148-149.

[4]惠秀美，韩正超.城轨地铁列车应急供电系统设计[J].科技创新与应用，2013（36）：28.

[5]刘东广.电力机车蓄电池的应用分析[J].电力机车与城轨车辆，2006，29（3）：63-65.

[6]CNR.蓄电池容量计算报告[R].CNR（DALIAN）XianL3，大连：中国北车，2014.

[7]Klaus Gutzeit.Simulation calculation report of battery capacity[R].XA1D-SJZL-0028，Brilon：Hoppecke Batterien GmbH&Co.KG，2014.