土耳其安卡拉地鐵項目車輛蓄電池設(shè)計

陳艷艷，黃志華

(南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001)

1 概述

土耳其安卡拉地鐵項目車輛(以下簡稱安卡拉地鐵車輛)為第三軌上部受流的不銹鋼車輛，采用80 km/h速度等級、兩動一拖三節(jié)編組列車，最大載客量1035人，與國內(nèi)的A型不銹鋼車輛基本類似。蓄電池主要為緊急通風(fēng)、應(yīng)急照明、門控和門驅(qū)動、控制系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等提供DC110 V緊急備用電源。應(yīng)急電源在車輛故障時有著重大的影響，因此，蓄電池的設(shè)計至關(guān)重要。

本文從蓄電池類型、使用環(huán)境、重量、體積、容量計算等方面闡述安卡拉項目地鐵車輛蓄電池選型方法，并簡要介紹了蓄電池箱的設(shè)計。

2 蓄電池技術(shù)要求

2．1 運(yùn)行條件

使用環(huán)境:車輛將在隧道中運(yùn)行，部分在地面上。維護(hù)場地位于地面上或地下。

使用溫度:－25℃ ～40℃

最小存儲環(huán)境溫度:－35℃

蓄電池在安卡拉項目氣候條件和線路條件下，使用壽命不低于10年。由于安卡拉當(dāng)?shù)氐蜏剡_(dá)到－25℃，低溫影響電池性能比較大，會較大地增加電池容量。

2．2 車輛要求

在AW4狀態(tài)下車輛軸重不超16．5 t，由于車輛是不銹鋼車體，因此車體比鋁合金車體要重，考慮到軸重因素，根據(jù)設(shè)備布置要求，將3臺輔助逆變器和2組蓄電池全部布置在拖車上，設(shè)備布置較緊湊，且受限界影響，分配給蓄電池的空間較小。

車輛所有系統(tǒng)都要進(jìn)行輕量化設(shè)計，要求兩組蓄電池(含箱體)重量不得高于1300 kg，而通常設(shè)計的A型鋁合金車輛蓄電池(含箱體)重量達(dá)到2000 kg以上。

2．3 緊急負(fù)載

當(dāng)整列車無高壓電源輸入，蓄電池必須能給緊急照明、緊急通風(fēng)等規(guī)定的緊急負(fù)載供電60 min，整列車緊急負(fù)載功率計算為14．3 kW，而國內(nèi)同型城軌車輛緊急負(fù)載功率通常都在10 kW左右。

3 蓄電池選型設(shè)計

3．1 蓄電池類型確定

目前，用于鐵路機(jī)車和城軌車輛的蓄電池類型主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘堿性蓄電池，由于土耳其用戶對鋰電池較感興趣，因此，在對蓄電池進(jìn)行選型設(shè)計時，也對鋰電池性能及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)了解。

鉛酸蓄電池由于低溫放電性能較差，選型需求容量較大，從而導(dǎo)致體積和重量不能滿足車輛要求。因此，本文主要將鋰電池和鎳鎘堿性蓄電池進(jìn)行了簡要對比，如表1所示:

表1 鎳鎘堿性電池與鋰電池的性能對比

序號 項目 鎳鎘電池 鋰離子電池9 振動沖擊/防火完全滿足城軌車輛項目對振動沖擊/防火等各國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。 鋰電池目前都達(dá)不到相關(guān)要求，也提供不出實驗報告。10 在軌道車輛的應(yīng)用 主要用于軌道車輛的后備應(yīng)急電源。 鋰電池常用于能量收集和施放的應(yīng)用領(lǐng)域，主要是節(jié)約能源方面;在軌道交通的應(yīng)急電源方面才開始應(yīng)用。11 使用溫度正常工作適用溫度范圍寬:－30℃ ～+50℃，耐極端溫度范圍:－50℃ ～+70℃。正常工作適用溫度范圍窄:首先，充電溫度范圍:0℃ ～45℃，小于0℃以下不能充電，當(dāng)小于5℃時需用加熱片加溫，－25℃加熱到5℃需要約40 min。加熱系統(tǒng)會損耗能量;其次，放電溫度范圍:－25℃ ～55℃。12 壽命 設(shè)計壽命達(dá)到15年，經(jīng)實際驗證可靠使用壽命超過10年。目前了解鋰電池設(shè)計壽命8年，使用最長才用到3年，實際使用壽命還沒有得到實際驗證。

綜上所述，鋰電池適用溫度范圍窄，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，可靠性差，使用壽命尚未得到驗證，不能夠滿足用戶10年要求;因此，從可靠性、低溫性能、使用壽命、重量、體積等方面，該項目電池類型確定使用鎳鎘堿性蓄電池。

3．2 蓄電池容量計算

不同廠家，不同型號，不同倍率的電池放電性能都不一樣。下面以地鐵車輛常用的中倍率堿性鎳鎘蓄電池的放電性能來計算蓄電池容量。

列車充電機(jī)輸出電壓110～137．5 V，蓄電池的單體浮充電壓按1．455 V計算，該系統(tǒng)使用蓄電池的只數(shù)定為80只，其浮充電電壓1．455×80=116．4 V，處于充電機(jī)輸出電壓范圍。

列車要求蓄電池提供的功率為14．3 kW。

蓄電池組的平均放電電流=功率/蓄電池組的平均放電電壓 14．3 kw/［80 × (1．05+1．2)/2］V≈158 A。

蓄電池供電60 min需要的凈容量C0=158×60/60=158 Ah。

考慮浮充充電效率、低溫－25℃下的放電效率及使用壽命10年的老化系數(shù)等影響因素，蓄電池實際容量為:

蓄電池容量C=C0÷Kt÷η×a=158÷0．65÷0．90÷0．9≈300 Ah。

C0——不考慮任何影響系數(shù)下的蓄電池凈容量，158 Ah;

Kt——蓄電池在 －25℃溫度下放電的容量修正系數(shù)，0.65;

η——蓄電池的充電效率，0．90;

a——蓄電池老化修正系數(shù)，0．9(蓄電池的設(shè)計壽命15年，使用10年后的容量系數(shù)大約為0．9)。

每列車采用兩組蓄電池并聯(lián)，每組電池的容量需150 Ah，選用電池規(guī)格為160 Ah中倍率鎳鎘電池能滿足緊急負(fù)載放電要求。

根據(jù)蓄電池技術(shù)要求，選用的電池不僅性能可靠、放電性能滿足整車緊急負(fù)載要求，且低溫放電性能佳，重量輕，體積小。但是，國內(nèi)外蓄電池廠家的160 Ah中倍率鎳鎘電池都不能滿足整車重量和空間要求。為了解決重量和空間問題，選用一種高倍率電池，塊狀結(jié)構(gòu)、空間最優(yōu)化，體積和重量比傳統(tǒng)H型S/PBE鎳鎘蓄電池分別少30%和40%，，低溫放電性能極佳，Kt達(dá)到 0．8。

蓄電池容量 C=C0÷Kt÷η×a=158÷0．8÷0．90÷0．9≈244 Ah，每組蓄電池容量需122 Ah，選用規(guī)格130 Ah的高倍率鎳鎘蓄電池可滿足緊急負(fù)載要求。

4 蓄電池箱設(shè)計

一列車共有兩組蓄電池，含160節(jié)130 Ah電池，安裝于車輛的T車車底下的兩個蓄電池箱內(nèi)，兩組蓄電池(含箱體)重量不高于1300 kg，蓄電池箱所占空間滿足車輛要求。

4．1 主要構(gòu)件描述

80節(jié)130 Ah蓄電池裝于一個蓄電池箱內(nèi)，蓄電池箱采用懸臂結(jié)構(gòu)，蓄電池斗可以全部拉出箱體，以便于對蓄電池進(jìn)行定期維護(hù)。箱體由兩部分構(gòu)成:

電池箱，包含裝于滾輪上的電池塊以及一個溫度傳感器。

熔斷器箱，包含一個熔斷器，一個溫度傳感器配備連接器和兩個電纜旋緊件。

蓄電池外形及結(jié)構(gòu)組成詳見圖1。

圖1 蓄電池箱結(jié)構(gòu)組成

4．2 電池排列

蓄電池130 Ah×80由2個相同電池組130×40裝箱而成，具體包括:

8個130 Ah～5+L電池塊;

8個130 Ah～5+R電池塊。

電池塊由帶有內(nèi)置注水系統(tǒng)的聚丙烯殼體做成。每個電池塊都包絡(luò)在一個金屬凸緣內(nèi)，不會出現(xiàn)移位。

4．3 溫度傳感器

每組蓄電池130 Ah×80配有一個與帶孔硬質(zhì)連接片相連的NTC傳感器10 kOhms組件。

4．4 注水回路

每組蓄電池130 Ah×80包含2個中央注水系統(tǒng)，使得加水維護(hù)變得便利。

每個內(nèi)置于電池塊的中央注水系統(tǒng)，可讓所有電池塊從一個中央水槽得到補(bǔ)水。水壓連接器可用于注水，而不帶閥控的接頭可以使水排出蓄電池。注水回路詳見圖2。

圖2 注水回路

4．5 熔斷器箱

熔斷器箱包含:

一個熔斷器;

一個溫度傳感器配備連接器;

兩個35 mm2導(dǎo)線接頭和裝在箱體上的兩個電纜旋緊件。

5 結(jié)語

蓄電池設(shè)計是一個綜合考慮的過程，不僅需根據(jù)用戶要求、使用環(huán)境、電池性能等條件，車輛要求往往也是影響設(shè)計的重要因素。本文淺析了用于土耳其安卡拉不銹鋼車輛的蓄電池設(shè)計，因受用戶要求、車輛軸重、設(shè)備布置空間影響，對蓄電池設(shè)計增加了難度。通過從類型、溫度特性、重量、體積等方面分析，選用130 Ah高倍率鎳鎘蓄電池，并對箱體進(jìn)行緊湊設(shè)計，使得設(shè)計滿足了合同要求和車輛要求。

［1］IEC 60623－2001方形開口鎘鎳可充電單體蓄電池［S］．

［2］杜玉峰，王曉勇．新加坡電力蓄電池雙能源工程車牽引蓄電池的選型設(shè)計［J］．電力機(jī)車與城軌車輛，2011(3)．

［3］王慶召，劉東廣．深圳地鐵5號線車輛蓄電池的選型分析［J］．電力機(jī)車與城軌車輛，2011(2)．