基于鈦酸鋰電池的短編組有軌電車車載儲(chǔ)能方案仿真分析

蒲思培

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢，430063

0 引言

根據(jù)《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo)104—2008)，有軌電車屬于中運(yùn)量交通系統(tǒng)，列車總長(zhǎng)度不超過(guò)60 m，適用于單向運(yùn)能在(1～2)萬(wàn)人次/h之間的城市軌道交通系統(tǒng)。隨著《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)[2018]52號(hào))的發(fā)布，在地鐵、輕軌審批門檻大幅提高的前提下，有軌電車將在我國(guó)廣大三四線城市作為主干線路及一二線城市作為輔助線路迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇。目前有軌電車儲(chǔ)能方式一般以超級(jí)電容為主，其中又根據(jù)超級(jí)電容種類的不同分為雙電層超級(jí)電容與高能量超級(jí)電容兩大類。但因中小城市客流較少，所需有軌電車編組較短，而低地板有軌電車的超級(jí)電容、制動(dòng)電阻、逆變器、輔助電源、空調(diào)、受電弓等幾乎所有設(shè)備均布置于車頂，從而導(dǎo)致車頂空間十分緊張，同時(shí)由于超級(jí)電容體積較大，因此短編組有軌電車車載儲(chǔ)能裝置容量普遍不高。以國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠3編組有軌電車為例，其整車長(zhǎng)度為21.4 m，在采用雙電層超級(jí)電容儲(chǔ)能時(shí)，整車僅能帶電9 kW·h，采用高能量超級(jí)電容時(shí)，整車也僅僅可帶電19 kW·h，從而導(dǎo)致整車?yán)m(xù)航里程不足，沿線充電站設(shè)置數(shù)量較多[1-2]。

本文以鈦酸鋰電池為基礎(chǔ)，在盡量不調(diào)整車頂設(shè)備布置的前提下，通過(guò)采用鈦酸鋰電池替換超級(jí)電容，提高車載儲(chǔ)能裝置最大存儲(chǔ)電量，并結(jié)合保山有軌電車T1線實(shí)際線路條件進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果表明鈦酸鋰電池可完全滿足列車牽引/制動(dòng)需求，且可以大幅減少區(qū)間充電站設(shè)置數(shù)量。

1 鈦酸鋰電池適應(yīng)性分析

鈦酸鋰(Li4Ti5O12)電池單體電壓為2.35 V，工作電壓為1.5～2.8 V。用于有軌電車的電池模組主要由單體電芯串并聯(lián)構(gòu)成，形成容量更大、電壓更高的電池組。在電池組內(nèi)部集成了電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)、通信系統(tǒng)、故障告警系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等相關(guān)部件，電池組結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 電池組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Battery pack structure diagram

1.1 使用壽命分析

有軌電車年走行里程約在(6～8)萬(wàn)km之間，因完全使用車載儲(chǔ)能裝置行駛，列車儲(chǔ)能裝置充放電頻率較高，因此目前各地采購(gòu)儲(chǔ)能式有軌電車普遍對(duì)其車載儲(chǔ)能裝置提出了8～10年的使用壽命需求。為檢驗(yàn)電池組使用壽命，本次研究分別在25 ℃與45 ℃環(huán)境溫度下分別采用20 A及60 A電流對(duì)電池組進(jìn)行了0～100%與50%～90%荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的連續(xù)充放電試驗(yàn)，充放電時(shí)間均為20 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 25 ℃充放電試驗(yàn) Fig.2 25 ℃ charge and discharge test

圖3 45 ℃充放電試驗(yàn)Fig.3 45 ℃ charge and discharge test

由圖2可知，在0～100% SOC條件下，25 ℃環(huán)境溫度下分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時(shí)，電池組經(jīng)15 000次充放電循環(huán)，電池容量可保持在85%以上；在50%～90% SOC條件下，25 ℃環(huán)境溫度下分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時(shí)，電池組經(jīng)22 000次充放電循環(huán)，電池組容量幾乎無(wú)衰減。

由圖3可知，在0～100% SOC條件下，45 ℃高溫環(huán)境下分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時(shí)，電池組經(jīng)3000次充放電循環(huán)，電池壽命僅剩80%，達(dá)到6000次充放電循環(huán)時(shí)，電池容量?jī)H剩余50%，衰減較快；而在50%～90% SOC條件下，45 ℃高溫環(huán)境分別采用20 A、60 A電流恒流充放電時(shí)，電池組經(jīng)12 000次充放電循環(huán)，電池組容量衰減不超過(guò)2%。

根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考同類型鈦酸鋰電池試驗(yàn)結(jié)果，在同等溫度條件下，若達(dá)到相同的電池容量衰減量，40%充放電循環(huán)壽命(charge and discharge cycle life，DOD)比100% DOD壽命長(zhǎng)8倍以上。

由此可見(jiàn)鈦酸鋰電池壽命主要受溫度與DOD控制，若通過(guò)電池組內(nèi)BMS進(jìn)行合理的電池溫度及充放電深度控制并通過(guò)沿線合理布置充電站數(shù)量，控制電池放電深度，則電池組容量保持率可控制在很高的水平之上，容量的衰減幾乎不會(huì)影響有軌電車的正常使用[3-4]。

1.2 安全性分析

傳統(tǒng)鋰離子電池負(fù)極材料是碳基材料，由于碳負(fù)極材料具有與金屬鋰很接近的電位，故當(dāng)電池過(guò)充電時(shí)碳電極表面易析出金屬鋰枝晶而引起短路、熱失控等；同時(shí)充放電時(shí)鋰離子在反復(fù)地嵌入和脫嵌過(guò)程中會(huì)使碳基材料結(jié)構(gòu)受到破壞從而導(dǎo)致電池組容量的衰減[5]。而Li4Ti5O12是一種由金屬鋰和低電位過(guò)渡金屬鈦復(fù)合的氧化物，屬于AB2X4系列材料，可被描述成尖晶石固溶體。Li4Ti5O12最大的特點(diǎn)就是其“零應(yīng)變性”。所謂“零應(yīng)變性”是指其晶體在嵌入或脫出鋰離子時(shí)晶格常數(shù)和體積變化都很小，小于1%。在充放電循環(huán)中，這種“零應(yīng)變性”能夠避免由于電極材料的來(lái)回伸縮而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命，減少循環(huán)帶來(lái)的比容量衰減，同時(shí)具有非常好的耐過(guò)充、過(guò)放特征[6]。

在針對(duì)鋰電池針刺、熱失控、過(guò)放等基本安全性評(píng)測(cè)基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了有軌電車常見(jiàn)的過(guò)充、短路情況試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 過(guò)充電試驗(yàn)Fig.4 Overcharge test

圖5 短路試驗(yàn)Fig.5 External short circuit test

由圖4可知，當(dāng)電池組發(fā)生過(guò)充電時(shí)，電池組在約70 min時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)溫升，同時(shí)電池組開(kāi)始鼓脹；在約90 min時(shí)溫度回歸正常。不切斷電源一直充電時(shí)，最高溫度上升至200 ℃左右，整個(gè)過(guò)程中電池?zé)o燃燒和爆炸現(xiàn)象。

由圖5可知，當(dāng)電池組出現(xiàn)短路情況時(shí)，在短路的瞬間，電池組電壓降至0.7 V左右，同時(shí)表面溫度迅速上升至115 ℃后逐漸減低，整個(gè)過(guò)程中電池?zé)o燃燒和爆炸現(xiàn)象。

由上述分析可知，在耐用性與安全性上，鈦酸鋰電池組可完全滿足有軌電車的使用需求。

2 鈦酸鋰電池裝車方案研究

目前用于保山有軌電車的鈦酸鋰電池儲(chǔ)能裝置由3個(gè)電池箱并聯(lián)組成，單個(gè)電池箱又由電池模組串聯(lián)后組成。其中1個(gè)電池模組由2個(gè)電芯并聯(lián)后，再由36個(gè)電芯串聯(lián)構(gòu)成，即2P36S方式；再由9個(gè)這樣的電池模組串聯(lián)，即2P324S方式形成1個(gè)電池箱。單個(gè)電池箱容量可以達(dá)到19 kW·h，按最大持續(xù)放電電流計(jì)算，可以達(dá)到最大350 A的持續(xù)放電需求[7]。

根據(jù)列車牽引功率需求，列車需要至少900 A的最大持續(xù)放電電流，因此為滿足列車牽引需要，該3編組有軌電車儲(chǔ)能裝置需要由3箱鈦酸鋰電池箱并聯(lián)而成，并聯(lián)后最大放電電流為1050 A、儲(chǔ)能裝置總?cè)萘繛?7 kW·h，列車主電路拓?fù)鋱D見(jiàn)圖6。

經(jīng)串并聯(lián)成組后，單個(gè)電池箱外形尺寸長(zhǎng)×寬×高為1960 mm×1000 mm×650 mm，3個(gè)電池箱總帶電量為56 kW·h?？紤]各部件安全間隙后，該列車車頂布置見(jiàn)圖7[7]。由圖7可以看出，在合理排布車頂空間并采用小型被動(dòng)升降受電弓的前提下，車頂可以滿足3套電池箱、制動(dòng)電阻、空調(diào)、逆變器及輔助電源箱等設(shè)備的布置要求。

3 鈦酸鋰電池供電方案仿真

3.1 T1線線路條件

保山有軌電車T1線工程右線全長(zhǎng)21.042 km，其中高架線長(zhǎng)4.31 km，地下線長(zhǎng)0.55 km，其余均為地面線。全線共設(shè)站23座，其中上營(yíng)站、聶家屯站、小屯站、保岫路站、龍泉路站、沙丙路站為高架站，其余均為地面站，最大站間距 2 km，最小站間距0.34 km。

3.2 列車基本參數(shù)

列車供電電壓為DC750 V；輪徑為620 mm /580 mm /540 mm(新/半磨耗/全磨耗)；動(dòng)車軸式為Bo-Bo(電力機(jī)車的軸列式，每個(gè)轉(zhuǎn)向架2根動(dòng)力車軸)；列車編組為Mc+F+Mc(2動(dòng)1拖，即2M1T)；列車自身質(zhì)量為33.5 t；列車總質(zhì)量分別為空車(AW0)M0=33.5 t/列，定員(AW2)M2=44.5 t/列，超員(AW3)M3=47.5 t/列；慣性系數(shù)為8.4%[1]。

圖6 列車主電路拓?fù)鋱DFig.6 Tram main circuit topology

圖7 列車車頂設(shè)備平面布置圖Fig.7 Tram roof equipment floor plan

3.3 仿真參數(shù)計(jì)算

(1) 列車換算質(zhì)量為

Mg=M0×8.4%=33.5×8.4%=2.814 t

AW0換算質(zhì)量為

M0g=M0+Mg=36.314 t

AW2換算質(zhì)量為

M2g=M2+Mg=47.314 t

AW3換算質(zhì)量為

M3g=M3+Mg=50.314 t

(2) 啟動(dòng)阻力計(jì)算。啟動(dòng)阻力按49 kN/t計(jì)算，其中，AW0啟動(dòng)阻力

Wq0=M0×49×10-3=1.642 kN

AW2啟動(dòng)阻力

Wq2= 44.5×49×10-3=2.181 kN

AW3啟動(dòng)阻力

Wq3= 47.5×49×10-3=2.328 kN

(3) 坡道阻力計(jì)算。最大坡度按6%計(jì)算，其中，AW0坡道阻力

Wm0=33.5×6%×9.81=19.718 kN

AW2坡道阻力

Wm2=44.5×6%×9.81=26.193 kN

AW3坡道阻力

Wm3=47.5×6%×9.81=27.959 kN

(4) 基本阻力計(jì)算。基本阻力為

Fr=20m+0.75mv+0.4v2

式中，F(xiàn)r為列車基本阻力，N；m為列車換算質(zhì)量，t；v為列車速度，km/h。

據(jù)此計(jì)算的各速度條件下列車基本阻力如表1所示。

3.4 仿真結(jié)果

根據(jù)上述基本條件及鈦酸鋰電池配置情況，在Cinius列車平臺(tái)仿真軟件中建立列車仿真模型，得到列車牽引/電制動(dòng)仿真曲線如圖8所示[8]。

3.4.1牽引性能

由圖8可知，在網(wǎng)壓為DC750 V，AW2負(fù)載條件下，列車以72 kN的恒牽引力啟動(dòng)加速(響應(yīng)時(shí)間為0.8 s)，黏著系數(shù)取0.23，此種工況下，列車在0～40 km/h和0～70 km/h速度范圍內(nèi)其平均加速度如表2所示。仿真結(jié)果表明鈦酸鋰電池供電方案可以滿足列車牽引動(dòng)力性能要求。

表1 列車各速度基本阻力表Tab.1 Basic speed resistance table

圖8 列車牽引/電制動(dòng)仿真曲線Fig.8 Tram traction/electric brake simulation curve

表2 列車啟動(dòng)加速度計(jì)算表

3.4.2制動(dòng)性能

由圖8可知，制動(dòng)時(shí),網(wǎng)壓為DC900 V、黏著系數(shù)取0.23，在AW2負(fù)載條件下的平均減速度如表3所示。仿真結(jié)果表明鈦酸鋰電池方案滿足

表3 列車制動(dòng)減速度計(jì)算表Tab.3 Tram brake deceleration calculation table

列車制動(dòng)性能要求。

3.4.3故障運(yùn)行能力檢算

(1)喪失1/2動(dòng)力檢算。在車輛超員荷載工況下，當(dāng)列車喪失不大于原動(dòng)力1/2動(dòng)力時(shí)，應(yīng)具有在正線最大坡道上啟動(dòng)和運(yùn)行到最近車站的能力。此時(shí)加速度計(jì)算公式為

a=((Fq/2)-Wq3-Wm3×60%)/M3g= (72/2-2.328-27.959)/50.314= 0.1135 m/s2>0.0833 m/s2

式中，F(xiàn)q為牽引力，kN；Wq3為AW3啟動(dòng)阻力，kN；Wm3為AW3坡道阻力，kN；M3g為AW3換算質(zhì)量，t；0.0833 m/s2為列車啟動(dòng)最小加速度。

檢算結(jié)果表明,在損失1/2動(dòng)力的情況下，車輛在超員荷載情況下，鈦酸鋰電池供電方案可以滿足列車在正線最大坡道上啟動(dòng)并運(yùn)行至最近車站的能力。

(2)空車返回車輛段檢算。在車輛空車和喪失不大于原動(dòng)力1/2動(dòng)力時(shí)，應(yīng)能從故障點(diǎn)啟動(dòng)運(yùn)行到車輛段。此時(shí)加速度計(jì)算公式為

a=((Fq/2)-Wq0)/M0g= (72/2-1.642)/36.314= 0.946 m/s2>0.0833 m/s2

式中，Wq0為AW0啟動(dòng)阻力，kN；M0g為AW0換算質(zhì)量，t。

檢算結(jié)果表明，在損失1/2動(dòng)力且空車情況下，鈦酸鋰電池供電方案可以滿足列車從發(fā)生故障點(diǎn)維持運(yùn)行到車輛段的能力。

(3)車輛救援檢算?？蛰d車輛應(yīng)具有在正線線路的最大坡度上牽引另一列定員載荷的故障車輛運(yùn)行到車輛段的能力。此時(shí)加速度計(jì)算公式為

式中，Wq2為AW2啟動(dòng)阻力，kN；Wm0為AW0坡道阻力，kN；Wm2為AW2坡道阻力，kN；M2g為AW2換算質(zhì)量，t。

計(jì)算結(jié)果表明，鈦酸鋰電池供電方案可以滿足空載車輛在正線最大坡道上將另一列定員荷載的無(wú)動(dòng)力車輛牽引到車輛段的能力。

3.4.4充電裝置設(shè)置情況

本文研究的列車共配置3個(gè)鈦酸鋰電池箱，總計(jì)可用電量為57 kW·h，根據(jù)保山T1線實(shí)際線路圖及停站時(shí)刻表進(jìn)行列車運(yùn)行仿真計(jì)算。當(dāng)車輛處于AW2負(fù)載、輔助功率全開(kāi)并考慮非信號(hào)控制路口均停車等待40 s情況下，以北津街站至第一個(gè)設(shè)充電樁的車站永昌路站為例，列車自起點(diǎn)站北津街站開(kāi)出，帶電量為57 kW·h；在畫橋站、百屯站、青蓮站、好善營(yíng)站均停站不充電，當(dāng)列車行駛至永昌路站時(shí)，剩余電量為40.24 kW·h，在永昌路站停站30 s，補(bǔ)充電量6.4 kW·h，出站后帶電量為46.64 kW·h，具體如圖9所示。

圖9 鈦酸鋰電池方案列車運(yùn)行仿真曲線Fig.9 Tram running simulation curve of lithium titanate battery scheme

由該仿真計(jì)算可知，鈦酸鋰電池方案僅需在正線北津街站、永昌路站、保岫路站、武家屯站、小村站、辛街東站設(shè)置6座充電站即可完成正線運(yùn)行，列車運(yùn)行至終點(diǎn)站辛街東站時(shí)，列車剩余可用電量4.4 kW·h，滿足正常運(yùn)行需求[2]。

在終點(diǎn)站設(shè)置單臺(tái)最大充電電流1500 A、充電功率1.35 MW的充電樁前提下，列車僅需4 min即可完成充電；若車站上下行方向均配置充電樁，則可完全滿足本線遠(yuǎn)期18對(duì)(每小時(shí)開(kāi)行列車對(duì)數(shù))的發(fā)車間隔需求。由仿真可知，鈦酸鋰電池方案在全線僅設(shè)置6座充電站的前提下，即可滿足正常運(yùn)營(yíng)的需求，與同車型高能量超級(jí)電容方案需設(shè)置12座充電站相比，減少了6座充電站，按1座充電站配置1座牽引變電所，每座牽引變電所投資450萬(wàn)元計(jì)算，僅牽引變電所1項(xiàng)即可節(jié)省工程投資2700萬(wàn)元。

4 結(jié)論

針對(duì)鈦酸鋰電池裝車的試驗(yàn)研究及仿真驗(yàn)證可以得到如下結(jié)論：

(1)鈦酸鋰電池在使用壽命及安全性上可以滿足有軌電車的使用需求，但因本次研究試驗(yàn)的充放電次數(shù)有限，與雙電層超級(jí)電容及高能量超級(jí)電容類似，尚需在實(shí)際使用中觀測(cè)其使用壽命。

(2)通過(guò)在保山T1線實(shí)際線路條件下進(jìn)行運(yùn)行仿真可知，鈦酸鋰電池的牽引/制動(dòng)特性可完全滿足有軌電車的日常使用及故障運(yùn)行需求，且可以滿足有軌電車車頂空間布置要求。

(3)在同車型的前提下，鈦酸鋰電池方案可配置57 kW·h儲(chǔ)電量，相對(duì)于高能量超級(jí)電容方案僅19 kW·h的儲(chǔ)電量大大提升了有軌電車運(yùn)營(yíng)靈活性，減少了區(qū)間充電站數(shù)量及建設(shè)和日后運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。