关于动车组蓄电池供电自走行技术的研究

马升潘，冯庆鹏，周建升，王双全

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛 266111)

当高速铁路线路发生弓网故障或者动车组车顶高压系统故障导致动车组无法继续行驶时，动车组需停车等待救援动车组或机车来救援。在线路上停车等待会严重影响运营秩序，同时停车等待救援时间太长也会导致车厢内高温、缺氧等客室环境质量下降问题，影响乘客的旅行体验。

城市轨道交通领域发生供电故障时，配有自走行功能的地铁和轻轨车辆可通过车载储能系统走行至就近车站，通常走行距离短(不超过2 km)且速度较低[1]。与地铁车辆相比，动车组在供电制式及线路条件等方面差异较大且更为苛刻，研究尚处于初步阶段。针对该问题，本文基于某型动车组平台提出了一种适用于动车组的蓄电池供电自走行技术方案。

1 自走行功能系统组成

1.1 列车自走行配置

基于某型动车组现车牵引及辅助系统设计架构，通过提升电能储存和增加功率转换模块组成蓄电池自走行系统，该系统主要包括牵引变流器(牵引逆变器、辅助变流器)、牵引电动机、双向充电机及锂电池。

某型动车组为动力分散式单层动车组，采用8辆车编组，动拖车配置采用“4动4拖”的牵引架构，结合现车车下布置情况及车重均衡需求，分别在1、2、7、8车各配置1台双向充电机和1组锂电池，整车蓄电池供电自走行功能电气架构设计见图1。

图1 某型动车组整车蓄电池供电自走行功能电气架构图

动车组在应急自走行工况时，配置在2、4、7车的TBK1、TBK2、TBK3三相母线隔离接触器均断开，形成自走行牵引单元应急供电分组，如表1所示。各锂电池组仅对其应急供电分组内双向充电机和牵引变流器供电。

1.2 蓄电池供电自走行功能拓扑设计

图2为动车组蓄电池供电自走行功能拓扑图。当动车组正常运行时，双向充电机以正向模式工作，将辅助变流器输出的AC 380 V电源转换为DC 110 V电源为车上直流负载供电，同时为蓄电池进行在线充电，如图2中绿色箭头所示。当动车组蓄电池供电自走行时，蓄电池输出DC 110 V电源为双向充电机和车上直流负载供电，双向充电机以反向模式工作，将蓄电池输出的DC 110 V电源逆变为AC 380 V电源供给辅助变流器。辅助变流器将AC 380 V电源升压整流转换为牵引变流器中间直流电，再通过牵引逆变器逆变为交流电驱动牵引电动机工作，如图2中红色箭头所示。

图2 动车组蓄电池供电自走行功能拓扑图

2 工况及需求分析

2.1 工况设定

整列车质量为496 t，车轮新轮直径为920 mm，静摩擦阻力为24.3 kN，剩余加速度为0.05 m/s2,启动牵引力为256 kN，牵引电动机为三相鼠笼式异步牵引电动机。以兼顾应急空调工作为目标，结合现车车下设备允许空间及车重均衡要求进行蓄电池选型设计，以实现应急自走行里程20 km(包含5 km 5‰坡道及15 km平直道)。

当辅助变流器输入电压为三相AC 380 V、牵引系统输出最大功率时，牵引变流器中间直流回路电压基本稳定在DC 1 600 V，考虑中间电压纹波5%，最低中间电压为DC 1 520 V。当中间电压为DC 1 520 V时，对应牵引逆变器输出最高电压为DC 1 185 V，对应最高列车速度为86 km/h。按整车直流DC 110 V、负载功率26.4 kW，分别核算30 km/h和50 km/h 两种典型工况下的能耗情况如下：

(1) 列车速度为30 km/h时，整车以256 kN恒力启动，2.5 km/h开始进入恒功率，5 km 5‰坡道+15 km平直道工况下，列车运行时间约43 min,牵引耗能为92.3 kW·h，其他负载耗能为38.4 kW·h，总能耗为130.7 kW·h。

(2) 列车速度为50 km/h时，整车以256 kN恒力启动，2.5 km/h开始进入恒功率，5 km 5‰坡道+15 km平直道、全列通风工况下，列车运行时间约32.8 min,牵引耗能为110.5 kW·h，所需蓄电池总电量为131 kW·h。

2.2 蓄电池需求分析

在5 km 5‰坡道+15 km平直道工况蓄电池供电自走行时各设备功率与动车组速度关系仿真曲线如图3所示。

图3 蓄电池供电自走行时各设备功率与动车组速度关系仿真曲线

选取最苛刻工况即在5 km 5‰的坡道上完成启动及加速阶段。由图3及计算可知，蓄电池最大输出电流在列车启动阶段为2 400 A，该电流输出持续时间5 s；列车完成5 km 5‰的坡道时速度为24 km/h,所需时间为782 s，蓄电池输出平均电流为933 A；列车行驶至7.69 km时，速度第1次达到50 km/h，完成20 km的行驶共用时1 915 s。

3 蓄电池分析设计

3.1 蓄电池选型

为满足实际应用需求，考虑到动车组对蓄电池快速充放电、低温性能、使用寿命、安全性和能量密度要求，本技术方案选用钛酸锂电池，电芯型号为NP2211F10FHA，该电芯具备以下优点：

(1) 能量密度高。其质量能量密度为70～160 W·h/kg，体积能量密度为140～160 W·h/L。

(2) 安全性能高。钛酸锂本身不可燃，低温高倍率充电不会析出锂金属，避免电池内发生短路。当外部出现短路故障时，电芯内部欧姆阻抗急剧增加，不会引起过大的瞬间电流和温度上升。

(3) 使用寿命长。在25 ℃恒温环境下以3C倍率充放电，循环次数达15 000次。

(4) 高功率性能。在25 ℃恒温环境下以5C倍率持续充放电。

(5) 低温特性。在-30 ℃环境下可释放80%电量，-40 ℃下可释放65%电量。恢复25 ℃时，不出现电芯寿命衰减。

综上，选择钛酸锂电池可以满足动车组启动时短时大电流的放电冲击需求，同时，该电池具有安全系数高、可循环使用寿命长、在低温环境下可用电量高、放电性能好的特点，可满足动车组应急牵引功能的需求[2]。

单组锂电池设计容量为520 A·h，全列蓄电池容量为2 080 A·h(215.3 kW·h)。蓄电池放电系数取0.8，剩余电量取10%，则可用容量为1 497 A·h(约为155 kW·h)，满足设计需求。

3.2 蓄电池外围电路设计

锂电池系统主要由电池模组、高压部件、电池管理系统(BMS)、线缆及电池箱组成。BMS采用分布式结构，由主控单元和信息处理单元构成，主控单元作为系统总成的控制与管理核心单元，负责电气回路的上下电控制；信息处理单元对各单体电池电压、温度信息进行采集并与充电机进行实时通信。锂电池系统充放电原理图见图4。

图4 锂电池系统充放电原理示意图

图4中，蓄电池组负极设置保险FU3，正极应急牵引设置保险FU1，辅助输出及充电支路设置保险FU2。上述保险在其所在回路出现过流、短路保护时将断开回路，可避免故障进一步恶化。

充电支路中设置预充回路(预充电接触器KA1、充电限流电阻R1)，可避免充电机内容性负载在蓄电池对外供电时引发电流冲击。

动车组正常行驶时，接触器KM2闭合，通过双向充电机对蓄电池进行在线充电，此时的电流流向如图4中绿色虚线A所示。充电机将AC 380 V，50 Hz转化为DC 110 V，双向充电机内部接触器BatK1闭合输出给直流母线上负载设备供电，如图4中绿色虚线C所示。

在应急自走行工况下，接触器KM1、KM2闭合，此时的电流流向如图4中红色虚线B所示，蓄电池同时为双向充电机和直流母线供电，双向充电机将直流电转换为AC 380 V，50 Hz输出给辅助变流器。

3.3 蓄电池能力仿真

锂电池具备快速充放电的电气特性，为保证现车的安全并结合现车直流负载与双向充电机额定功率，约定锂电池组充电电流为260 A，精度±5%。锂电池本身有内阻特性，若降低充电电流，电池电压也会相应降低，锂电池组充电仿真曲线见图5。

图5 锂电池组充电仿真曲线

如图5所示，0～6 780 s内，锂电池组充电电流为260 A，最高允许充电电压为116 V，当单体锂电池电压达到2.55 V时则进入降电流充电阶段，图5中的a、b、c、d点分别对应单体锂电池电压在1个充电循环周期内不同充电电流充电达到2.55 V时的对应点，当第4次单体锂电池电压达到2.55 V时(即d点)，锂电池进入恒压浮充阶段，此时最高允许充电电压为115 V，充电电流<10(±4) A。当锂电池组放电至单体电压<2.4 V，且总电压<108 V时，退出浮充电阶段，开始新的循环充电过程。

4 地面组合试验

牵引系统地面组合试验用部件包括蓄电池(520 A·h锂电池)、双向充电机(正向充电额定功率为50 kW，反向放电额定功率分别为240 kW、3 s，120 kW、10 min，80 kW、30 min)、牵引变流器和4台牵引电动机。车速计算轮径为920 mm,传动比为2.517。牵引电动机处于牵引工况、冷态时的转矩-转速特性曲线见图6。

图6 地面组合试验牵引电动机转矩-转速特性曲线

对整车启动加速过程进行分析，由图6可知，当牵引电动机转速在29～1 161 r/min时，电动机转速点的实测转矩达到规定转矩的100%以上。不同转速点的蓄电池输出电压、电流，双向充电机输出的电压、电流和功率，电动机输出机械功率、转速、转矩，电动机效率等均符合地面组合试验大纲要求。列车的速度变化见图7。根据图7中的数据，动车组从开始运行到加速至30 km/h所需时间为94 s，即0～30 km/h平均加速度为0.089 m/s2，完全满足现车启动的技术需求。

图7 列车速度变化图

5 结束语

针对弓网故障工况下动车组蓄电池供电自走行技术的需求，结合某型动车组牵引及辅助系统架构，提出了一种增大蓄电池容量和采用双向充电机的技术方案。

本文首先对蓄电池的需求进行了分析，明确了蓄电池容量大小，结合动车组启动、运行需求重点对锂电池的快速充放电能力、低温放电能力、使用寿命等电气特性的符合性进行了分析，对锂电池外围电路进行了设计，并结合充电机带载能力对锂电池充电过程进行了仿真，最后通过地面组合试验，验证了该技术方案的可行性，对该技术在动车组上的应用实施提供了技术支撑。