HXN6型混合动力调车机车动力电池成组结构优化设计

孟玉发，高晓芳，叶顶康

（中车资阳机车有限公司 研发部，四川资阳641301）

HXN6型混合动力调车机车，是中车资阳机车有限公司（简称中车资阳公司）于2013年与中国铁路总公司签订科技研究开发计划课题合同《2000-2500 kW混合动力机车研制及双燃料机车技术方案研究》，进行研制的2200 kW混合动力交流传动调车机车，采用外走廊、底架承载式车体，C0-C0轴式，柴油机装车功率1250 kW，动力电池装车容量1500 kW⋅h，机车最大运行速度为100 km/h的交流传动重度混合动力调车机车。

HXN6型0001号机车型式试验、运用考核和解体检查数据表明，各项技术指标满足机车技术条件要求。但是随着对混合动力机车安全性的深入研究，发现HXN6型机车动力电池成组结构存在电池能量过于集中，无能量分割和物理分割，安全防护不太完善等，必须对该车电池成组结构进行优化设计。

1 动力电池成组结构优化设计原则

1.1 电池系统能量分割安全性优化设计原则

（1）对动力电池回路应进行能量分割，宜采用多支路动力电池独立回路。

（2）动力电池系统主电路设计，要着重考虑电池系统安全性，外电路短路保护应针对各级母线分级设置。

（3）每一个支路应设置过流接触器、熔断器类保护器件，保护器件严格按照回路短路电流和反时限动力特性进行匹配。

1.2 动力电池系统物理分割安全性优化设计原则

（1）动力电池系统应按能量进行分组隔离，宜采用多组相互物理隔离（钢结构阻断），形成相互独立的电池仓。

（2）动力电池仓在结构上应具有防火、阻热设计，填充和密封采用阻燃隔热材料。

（3）动力电池仓在结构上应采取整个隔间的密封，防止水、沙、油污侵入导致绝缘性能下降。

（4）动力电池仓应设置防爆、泄压等结构，满足电池安全泄爆要求，泄爆方向应远离人工操作区和危险源，保证人员安全，防止次生灾害。

2 动力电池成组结构优化设计方案

2.1 动力电池系统能量分割设计方案

HXN6型混合动力调车机车原动力电池系统主电路采用一个回路，装车电量为1500 kW⋅h。一是动力电池能量过于集中，动力电池系统主电路工作电流大，需要2个接触器主触头并联使用，同时需要2个熔断器并联进行保护，如果动力电池系统输出电路发生短路故障时，则流过动力电池回路的短路电池太大，主回路接触器进行断开保护时，由于主触头动作不会同步，这样就会造成主回路接触器主触头烧损，同时由于并联的熔断器参数有差异，因此该熔断器在进行保护时有可能造成先动作的熔断器炸裂；二是如果有某1个动力电池包有故障，则会切断整个动力电池系统，导致机车动力电池不能提供动能，优化前HXN6型混合动力调车机车动力电池系统主回路拓扑结构如图1所示。

图1 优化前动力电池系统主回路拓扑结构

因此，必须对HXN6型混合动力调车机车原动力电池系统进行能量分割，使该车动力电池系统不会因为某一动力电池包内某一电池单体出现故障而切除整个动力电池系统，不仅使机车功率损失一半，而且把机车变成纯柴油发电机组提供动力，失去了节能环保的性能。

由于HXN6型混合动力调车机车牵引电机是轴控的，牵引变流器中有6个逆变模块，每个逆变模块中有1个斩波桥臂，是用来与制动电阻或高压斩波电阻相连，用其控制电阻制动功率或中间直流回路高压保护。而HXN6型混合动力调车机车有1200 kW的制动电阻装置，需要2个逆变模块中的斩波桥臂，因此只剩下4个逆变模块中的斩波桥臂，所以对动力电池系统进行能量分割成4组或8组，即4支路或8支路通过4个逆变模块中的斩波桥臂与牵引变流器的中间直流环节并联是最佳的。

如果分成8组即8支路，则必须每2组并联后再与1个斩波桥臂相连，这样在动力电池投入的过程中控制非常复杂，而且在实现物理分割时结构复杂，整个电池系统体积大，在目前机车质量、体积限制下无法实现工程化。

如果分成4组即4支路，则每组与1个斩波桥臂相连，每组可以实现独立控制充、放电，在4组分别投入到牵引变流器中间直流环节的控制时，无论4组电池的电压是否相同，均可实现4组同时投入而不会产生环流，机车控制相对简单。

因此，HXN6型混合动力调车机车把动力电池系统能量分割成4组，即4条支路分别与牵引变流器中间直流环节相连，动力电池系统主回路拓扑结构优化后如图2所示。

图2 优化后动力电池系统主回路拓扑结构

HXN6型混合动力调车机车动力电池系统能量分割前后对比见表1。

表1 HXN6型混合动力调车机车动力电池系统能量分割前后对比

2.2 动力电池系统主回路设备选型的优化

由于磷酸铁锂动力电池内阻特别小，当动力电池系统外电路短路时，流经动力电池的短路冲击电流在20C～30C范围内变化，如果不能及时切断，则持续短路电流让动力电池包内电芯温度急剧升高，引起动力电池热失控。

磷酸铁锂动力电池单体电芯短路试验数据表明：方案选用的动力电池单体电芯承受的短路电流值在20C时，且持续工作40 s后电芯才自动断开失效而不失控；动力电池单体电芯承受的短路电流值在30C时，且持续工作21 s后电芯才自动断开失效而不失控，如图3所示。

图3 磷酸铁锂单体电芯30C短路电流与时间和温度关系试验曲线

因此，HXN6型混合动力调车机车动力电池系统主回路设备选取原则：熔断器在20C电流的冲击下熔断时间要远小于动力电池电芯失效时间；接触器的极限分断电流要大于最大短路电流。按照此选取原则，根据HXN6型混合动力调车机车动力电池系统优化前、后主回路工作电流选取的设备见表2、表3。

表2 HXN6型机车动力电池系统主回路优化前后熔断器选型参数对照表

表3 HXN6型机车动力电池系统主回路优化前后接触器选型参数对照表

2.3 动力电池系统物理分割设计方案

HXN6型混合动力调车机车动力电池系统没有进行物理分割前，动力电池室由一个大的动力电池模块组成，如图4（a）所示，从能量上只有1个支路，由22个动力电池包串联组成，每个动力电池包的参数为：1070 Ah、64 V、68.48 kW⋅h，总容量为1500 kW⋅h，从结构上所有动力电池包安装在电池室内组成一个整体，没有设置隔热、阻燃、防火和防爆结构，动力电池包安装在动力电池室内，司机室前端墙和电气室隔墙共同作为动力电池室的隔墙，因此，动力电池室既不能阻止内部动力电池热失控后的热量向司机室和电气室传递，也不能阻断外部热源向动力电池室内部扩散。

HXN6型混合动力调车机车动力电池系统按照物理分割原则进行物理分割后，动力电池室由2个动力电池模块组成，如图4（b）所示。动力电池模块内中间隔墙设计为隔热、阻燃、防火结构，将动力电池模块分割为完全独立2个空间（又称动力电池仓），每个电池仓由5个动力电池包串联组成该电池支路系统，每个动力电池包的参数为：216 Ah、272 V、58.752 kW⋅h，该 支 路 系 统 总 容 量 为293.76 kW⋅h。同时将该模块的前后端墙及底部也设计为隔热、阻燃、防火的结构，实现电池仓与电池仓间、模块与外部之间的物理隔离；每个动力电池模块由2个相互独立动力电池仓构成，因此每个电池模块动力电池总容量为293.76 kW⋅h×2，则整个动力电池系统总容量为293.76 kW⋅h×4即1175 kW⋅h。

为了提高制造、安装以及更换的效率，动力电池室采用了模块化设计思路，2个完全相同的动力电池模块，均通过6个活动锥形座安装在车架上，可单独起吊和安装。HXN6型混合动力调车机车动力电池系统物理分割前后对照如图4所示。

图4 HXN6型混合动力调车机车动力电池系统物理分割前后对照图

2.4 动力电池模块增加隔热、阻燃、防火和防爆结构设计

HXN6型混合动力调车机车优化后的动力电池模块的前后端墙和底部增加隔热、阻燃、防火设计，内部2个电池仓之间的隔墙也设计为隔热、阻燃、防火结构，将模块内2个动力电池仓完全物理隔离，左右侧墙上的检修门和顶部空调内循环通风系统表面均涂防火涂料，动力电池模块隔热、阻燃和防火结构如图5所示。

图5 动力电池模块优化后隔热、阻燃和防火构图

防火墙结构：由两层钢板，中间填充绝热材料构成，如图6所示。

图6 防火墙结构

防火墙绝热材料拟采用陶瓷纤维，具有低导热率、良好的隔热性能。陶瓷纤维主要参数见表4。

表4 陶瓷纤维主要参数

防火计算：在模块中防火墙采用3 mm钢板+24 mm绝热防火材料+3 mm钢板的结构形式，假设动力电池系统内部热失衡后，如磷酸铁锂电池热失控后温度在800℃。如热源A点为热失控后的电池，距防火墙48 mm，如图7所示。

图7 防火墙防火计算示意图

通过热传导计算，在环境温度为40℃时，该热源经过空气及和防火墙的热传导30 min后，在B点处的稳态温度为101℃，升温61℃。B点处的温度低于电芯热失控温度初始150℃，即1个电池仓内A电池包发生热失控后，半个小时之内，不会导致另1个电池仓内B点电池包热失控。

2.5 动力电池系统增加防爆、泄压装置设计

HXN6型混合动力调车机车动力电池系统优化前没有设计防爆、泄压装置，因此如果动力电池电芯热失控后，释放电解液蒸汽，一方面使动力电池室内压力增大，同时使动力电池室内可燃气体浓度增加，当可燃气体浓度达到爆燃浓度时，遇到高温立即爆燃并损坏动力电池检修门，不仅使动力电池失控，迅速扩展，而且损坏周围相邻设备。

根据动力电池系统物理分割原则中对防爆、泄压装置的要求，HXN6型混合动力调车机车动力电池进行物理分割后，动力电池仓内设置防爆、泄压装置，在保证电池仓内的可燃气体在没有达到燃爆点前就泄压释放。根据磷酸铁锂动力电池特性和电池仓的空间容量及结构强度确定动力电池仓的泄压阀参数为：泄压值4 kPa；泄压速度5.2 L/s；流通量800 mm2。安装位置设置在动力电池模块侧顶部，如图8所示。泄爆方向在车顶斜上方，达到了远离人工操作区、设备区和危险源，保证人员安全，防止次生灾害目的。

图8 泄压阀安装示意图

3 试验验证

HXN6型混合动力调车机车动力电池成组结构优化方案于2018年12月12日在北京通过了中车集团公司组成的专家组的评审，并于2019年4月16日在北京通过了中国铁路总公司科信部组成的专家组的评审。该动力电池系统优化改进后，中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所按照《2200 kW混合动力技术验证调车机车补充研究试验大纲》进行了机车动力电池系统保护装置动作正确性试验，主要包括：动力电池组过流、过压，单体过压、欠压，SOC低，电池组温度过高、过低，接地，全部合格；进行了管理系统通信故障试验，验证了机车上动力电池系统保护装置动作正确；进行了动力电池冷却能力试验：在大于35℃环境条件下，模拟调车现场极端工况机车最大允许1200 kW放电功率进行持续放电，SOC从92%放至20%后，立刻进行柴油机1250 kW全功率持续充电，SOC从20%充至91%，动力电池最高温度41℃，远低于动力电池最高允许使用温度55℃要求［1］。

北京交通大学对动力电池单体按照《HXN6型混合动力调车机车动力锂离子电池单体和模组型式试验大纲》进行了过放电、过充电、短路、跌落、加热、挤压、针刺、海水浸泡、低气压共9项安全性试验，试验结果合格；按《HXN6型混合动力调车机车动力锂离子电池包和系统型式试验大纲》对动力电池包进行了挤压、温度冲击、湿热循环、外部火烧、盐雾、高海拔、过温保护、过充电保护、过放电保护、过流保护、短路保护、短路、线束短路、热失控、-40℃低温放电性能等安全性试验，试验结果合格；按《HXN6型混合动力调车机车动力锂离子电池包和系统型式试验大纲》对动力电池系统进行了机械冲击、耐振动试验，全部合格；按《HXN6型混合动力调车机车动力锂离子电池包和系统型式试验大纲》对动力电池系统进行了35℃以上的高温环境冷却能力试验，动力电池1200 kW最大放电功率放电，SOC从92%放至20%后，立刻进行柴油机1250 kW全功率持续充电，SOC从20%充至91%，再立即用900 kW放电功率持续放电，SOC从90%放至20%后，立刻进行柴油机970 kW功率持续充电，SOC从20%充至90%，动力电池最高温度47℃，远低于动力电池最高允许使用温度55℃要求［2］。

4 结论

HXN6型混合动力调车机车优化后动力电池系统具有极高的安全性，符合在机车上装车应用的安全要求。通过在成都局集团公司4个月的补充运用考核，机车动力电池系统工作稳定［3］。