鈦酸鋰電池在軌道交通車輛中的應用研究

李輝光,邵克成

(中車浦鎮阿爾斯通運輸系統有限公司 工程中心,安徽 蕪湖 241060)

采用車載儲能供電的軌道交通車輛不僅具有傳統軌道交通車輛的優點,而且還可以通過儲能系統充分回收制動能量,提高能量利用效率;同時也可以降低牽引供電網的需求,減少網側故障及安全隱患,進一步降低建設成本和縮短工期,提升城市規劃的柔性。隨著新型能源技術和車載儲能技術的不斷發展,超級電容、鋰動力電池、氫燃料電池及其混合動力裝置在車輛中得到了大力推廣和廣泛應用[1-3]。本文基于車載儲能供電軌道交通車輛對動力電池的應用需求,從多個方面對不同類型的動力電池進行了對比分析,介紹了鈦酸鋰動力電池在軌道交通車輛中的應用情況,對某導軌式膠輪車輛牽引主電路中動力電池的應用和選型進行了詳細說明。

1 軌道交通車輛動力電池應用需求和性能對比

城市軌道交通車輛具有使用壽命長、運營時間長、載客量大的特點,頻繁經歷啟動、惰行、減速和停車等工況。為適應車輛的運營特點,動力電池應能夠長時間提供恒定能量和瞬時提供大功率輸入/輸出能量,這就對動力電池的性能和安全性提出了更高的要求。

目前城市軌道交通車輛普遍采用鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池,它們雖然工藝成熟,價格低廉,但存在電池能量密度低、循環壽命短、充電時間長、質量和體積大、易產生重金屬污染等缺點,因此它們可以用作車輛輔助電池,不宜用作動力電池。隨著鋰電池技術的迅速發展,因其具有輸出功率大、能量密度高和循環壽命長等優點,可以作為動力電池,使軌道交通車輛在無供電網的情況下,不需要頻繁充電而運行。三元鋰、磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等幾種常見典型鋰動力電池的性能參數對比見表1[4-6]。

表1 幾種常見典型鋰動力電池的性能參數對比

1.1 安全性

城市軌道交通車輛作為公共交通工具,載客量大,安全性要求高,車載動力電池不應成為車輛正常運行的安全隱患。

鈦酸鋰電池的負極材料為鈦酸鋰,電位平臺為1.55 V,避免了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在低溫、大倍率充放電情況下鋰離子的析出和鋰枝晶的生長,大大降低了電池內部短路的風險。當電池內部出現短路時,以石墨為負極的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池儲存的能量會快速大量釋放,進而觸發電池熱失控,導致電池冒煙、著火;而鈦酸鋰電池在短路周圍的鈦酸鋰負極呈現高阻態,從而限制短路電流和抑制電池發熱。針刺試驗表明,鈦酸鋰電池不冒煙、不著火,安全性最高;磷酸鐵鋰電池會出現冒煙的情況,但是不著火,安全性次之;三元電池會直接著火,耐高溫性能和安全性較差。

1.2 功率密度

為保證車輛能夠達到較高的啟動加速度,車載動力電池應具有較大的輸出功率。在安裝空間和軸重的限制下,要盡可能地減小電池的體積和質量,同時要求電池系統具有較高的功率密度和充放電倍率。

鈦酸鋰電池的持續充放電倍率和最大瞬時放電倍率最大,功率密度最優,三元鋰電池次之,磷酸鐵鋰電池最差。鈦酸鋰電池更適合大倍率充放電和大功率牽引/制動,車輛在折返線或始發站/終點站經過短時間充電即可投入運營。

1.3 能量密度

為保證車輛達到較遠的行駛距離,車載動力電池對存儲能量的需求較大。在安裝空間和軸重的限制下,要盡可能地減小電池的體積和質量,同時要求電池系統具有較高的能量密度和系統成組率。

三元鋰電池的單體能量密度最優,磷酸鐵鋰電池次之,鈦酸鋰電池最差;磷酸鐵鋰電池的系統成組率最高,三元鋰電池和鈦酸鋰電池相當。

1.4 環境適應性

城市軌道交通車輛的工作環境溫度變化大,變化范圍為-25～+45 ℃。因此,動力電池應具有低溫放電能力,在低溫工況下能夠正常充放電,鈦酸鋰電池的低溫性能最優,三元鋰電池次之,磷酸鐵鋰電池最差。磷酸鐵鋰電池在-20 ℃時可用放電容量僅為常溫時的30%左右,且在0 ℃以下不允許充電?？紤]到運行環境和車輛性能需求,磷酸鐵鋰電池系統需要增加加熱和保溫措施,而這樣會增加系統運作的復雜性和成本。鈦酸鋰電池在-20 °C時仍能夠釋放80%的容量,且放電速度遠高于磷酸鐵鋰電池。

1.5 循環壽命

城市軌道交通車輛使用壽命長,為避免車輛在30年的使用壽命周期內頻繁更換電池,要求電池系統具有較高的使用壽命,從而降低全壽命周期的成本。

鈦酸鋰電池的循環壽命最高,磷酸鐵鋰電池次之,三元鋰電池最低。雖然鈦酸鋰電池的單次采購成本較高,但考慮到循環壽命的因素,在電池的使用壽命周期內,三元鋰電池的吞吐電量成本(吞吐電量成本=單次系統采購成本/持續工作循環壽命)最高,鈦酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池相當。

從以上分析可以看出,鈦酸鋰電池雖然能量密度較低,但其在安全性、功率特性、充放電倍率、循環壽命、環境適用性等方面具有明顯優勢。因此,在運行于無牽引供電網線路的軌道交通車輛上,鈦酸鋰電池作為車載儲能供電裝置得到廣泛應用[7-10]。

2 鈦酸鋰電池在軌道交通車輛中的應用

2.1 超級電容+鈦酸鋰動力電池

2020年和2021年先后開通的廣州黃埔有軌電車1號線和文山州現代有軌電車示范項目4號線,列車采用4模塊編組,設計最高運行速度為70 km/h,均采用超級電容和鈦酸鋰電池混合儲能供電。在中間站對超級電容進行短時充電,在起始站對動力電池充電,用于通過無供電線路的站間區間,這樣能夠提升列車的續航能力和爬坡能力,滿足坡道多、坡道長、坡度陡的線路需求。

2.2 氫能源+鈦酸鋰動力電池

2019年,佛山有軌電車載客運營,列車采用3節編組,總載客量超過360人,最高運行速度為80 km/h。車輛采用“燃料電池+動力電池”的混合動力結構,配置最大凈輸出功率為200 kW的質子交換膜燃料電池系統和88 kWh的鈦酸鋰電池,搭載6個35 MPa的儲氫罐,可存儲20 kg氫氣,續航里程達到150 km。

2.3 鈦酸鋰動力電池

在線路區間不是特別長且車輛安裝空間允許的情況下,可單獨采用鈦酸鋰電池。2019年,愛爾蘭的都柏林項目招標,要求車輛既能在有接觸網的線路上運行,也能在最長距離為35 km的無電力設施的線路上運行,且僅允許在始發站設置充電裝置,電池需要滿足每天運營的要求,使用壽命不得低于9年(充放電次數需要達到3萬次以上)。針對項目要求,“受電弓+大功率鈦酸鋰電池”作為動力源的混合動力驅動方式成為各車輛廠動力配置的首選。

在國家科技支撐計劃項目《下一代地鐵車輛技術研究及示范應用》中,開展了采用鈦酸鋰電池作為儲能供電系統的研究,以期實現以下目標:

(1) 實現制動能量本地吸收,并根據需要供牽引和輔助電源使用,提高整車效率;

(2) 實現正線電網斷電時的車輛自牽引,提高車輛的應急情況處理能力;

(3) 實現車庫內的無電網運行,提高車輛庫內的檢修便利性。

相關研究成果已應用于昆明地鐵5號線車輛。

3 導軌式膠輪車輛電池系統選型設計

導軌式膠輪系統是一種新型低運量軌道交通制式,車輛采用車載儲能供電,中央導向,橡膠輪胎行駛,具有噪聲低、振動小、線路適應性強的優點,具有廣闊的應用前景。

3.1 列車系統方案

某導軌式膠輪系統列車采用3輛車編組,通過貫通道連接。編組方式為:+Mc-T-Mc+。列車主要性能參數如表2所示。

表2 列車主要性能參數

列車供電主回路如圖1所示,車輛在無牽引供電網區段由動車上的鈦酸鋰動力電池提供牽引動力,回收制動能量,并向直流空調供電;在有牽引供電網區段通過拖車上的受流器經高壓箱提供牽引動力和向動力電池充電;在庫內停車或調試時通過國標插座向動力電池充電。輔助電源箱內包含DC 24 V蓄電池、AC 380 V電源模塊及DC 24 V電源模塊。

圖1 列車供電主回路

3.2 動力電池系統選型設計

動力電池系統在選型設計時應遵循以下原則:

(1) 電壓范圍覆蓋牽引系統的恒功率電壓范圍,最高電壓盡量匹配恒功率電壓的最大值并且不超過系統最高電壓;

(2) 在標稱電壓下,電池系統的充放電電流在其持續充放電電流附近,并盡量降低;

(3) 當電池系統發生單點故障或在恒功率電壓為最小值時,電池系統的充放電電流小于其最大充放電電流。

動力電池系統選型設計流程如圖2所示。

圖2 動力電池系統選型設計流程

在AW3載荷下,導軌式膠輪列車在平直道運行的牽引/制動特性曲線如圖3所示。

圖3 AW3載荷下導軌式膠輪列車在平直道運行的牽引/制動特性曲線

列車功率P、電壓U、電流I、速度v和力F之間的關系如式(1)所示:

P=UI=Fv

(1)

其中牽引模式下最大牽引功率為760.5 kW;制動模式下最大制動功率為1 136.7 kW。在不同供電電壓下,列車牽引系統的功率特性如圖4所示。在牽引模式下,在600～820 V供電范圍內,最大牽引功率保持為760.5 kW;在制動模式下,在620～820 V供電范圍內,最大制動功率保持為1 136.7 kW;從820 V到系統允許的最高電壓900 V,功率線性下降為0。

圖4 列車牽引系統的功率特性曲線

根據最大牽引功率的電壓范圍計算得到標稱電壓U=(600+820)/2=710 V。整列車輔助系統功率取60 kW,由式(1)得到恒定功率下牽引最大電流I=(760.5+60)/710=1 155.6 A,制動最大電流I=1 136.7/710=1 601 A。

基于選型設計原則,結合車輛的電流、電壓需求,根據表1中鈦酸鋰電池的性能參數,確定電池成組方式如下:

(1) 14個70 Ah鈦酸鋰電池單體串聯形成1個電池模組;

(2) 22個電池模組串聯形成1個電池標準箱儲能裝置;

(3) 4個電池標準箱并聯形成列車的動力電池系統,性能參數如表3所示。

表3 電池儲能系統性能參數

由表3可以看出,動力電池儲能系統最高電壓略高于牽引系統恒功率電壓的最大值,小于系統允許的最高電壓;持續放電電流略低于標稱電壓下所需的電池系統持續放電電流;標稱電壓下所需制動最大電流雖然大于電池系統的持續充放電電流,達到了1 601 A,但持續時間較短,且遠遠低于最大充放電電流。

當電池電壓為牽引系統恒功率電壓的最小值時,最大充放電電流分別為1 367.5 A和1 833.4 A,低于最大充放電電流。當某一電池標準箱發生故障時,其余3個電池標準箱提供的電壓不變,標稱電壓下最大充放電電流分別為1 540.8 A和2 134.7 A,低于最大充放電電流。因此,設計的動力電池系統符合選型設計原則,滿足列車牽引、制動所需的供電電壓、電流。

動力電池系統存儲電能為198 kWh,考慮到電池壽命、充放電效率和制動饋能需求,電池SOC的最佳工作區間為25%～75%,對應電量為99 kWh。

基于列車牽引系統特性及輔助系統功率為60 kW,進行了某典型項目在AW3載荷下往返運行的能耗仿真,結果表明列車每公里能耗為4.9 kWh,在電池SOC最佳工作區間內可行駛距離約為20 km,在持續充電的情況下,補充該電量所需時間約為7 min。

4 結束語

鈦酸鋰動力電池在保證安全的前提下,能夠快速充放電,并滿足一定的運營里程要求,降低了對牽引供電網的要求,消除了安全隱患,在軌道交通車輛特別是中小運量/里程軌道車輛中具有廣闊的應用前景。本文針對采用鈦酸鋰動力電池的某導軌式膠輪列車,設計了供電主回路,給出了動力電池系統的選型設計流程和原則,確定了動力電池的成組方式和性能參數。分析表明,設計的動力電池系統符合電壓覆蓋范圍和充放電電流需求,滿足列車的牽引制動性能要求。在電池SOC設計的工作范圍區間25%～75%內,列車可行駛距離約為20 km,在持續充電的情況下,補充該電量所需時間約為7 min。