（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035）

1 概述

地鐵車輛電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，蓄電池組參數(shù)的確定及電池箱的設(shè)計(jì)是電氣系統(tǒng)中一個(gè)比較重要的子系統(tǒng)。在地鐵車輛特殊的運(yùn)營(yíng)模式下，作為緊急負(fù)載供電電源，蓄電池主要功能如下：

1.1 車輛在運(yùn)行過(guò)程中在列車啟動(dòng)前激活各控制系統(tǒng)，同時(shí)為輔助逆變器提供控制電源。在線路電網(wǎng)無(wú)網(wǎng)壓或帶充電機(jī)的輔助逆變器全故障不工作情況下，蓄電池為車上應(yīng)急照明、與安全有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、車輛的全部通信設(shè)備（包括PIDS、廣播、無(wú)線電等）以及緊急通風(fēng)設(shè)備、門控設(shè)備等提供緊急供電電源，維持規(guī)定的緊急供電時(shí)間，滿足乘客安全逃生與供電需求。

1.2 在降弓狀態(tài)下為地鐵車輛DC110V（以B型地鐵為例）控制電路、照明、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、PIDS系統(tǒng)等低壓設(shè)備提供DC110V電源，保證地鐵車輛升弓并投入工作。

1.3 地鐵車輛正常運(yùn)行中，蓄電池和輔助逆變器的充電機(jī)共同為DC110V控制母線供電，起到濾波作用，降低控制母線電源的紋波系數(shù)，提高母線電源的質(zhì)量。

因此，正確選用蓄電池型號(hào)、組個(gè)數(shù)、確定其參數(shù)，對(duì)地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要的意義。

2 蓄電池選型原則

地鐵車輛蓄電池的選型一般遵循以下步驟：

2.1 按照車輛采購(gòu)要求計(jì)算緊急工況下直流負(fù)載的總功率。

2.2 選取符合要求的蓄電池類型，并依照業(yè)主當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和合同要求確定所選蓄電池的溫度補(bǔ)償系數(shù)、老化效率和充電效率。

2.3 計(jì)算所選蓄電池的實(shí)際所需容量，確保在其使用壽命終止時(shí)能夠滿足合同要求。

緊急負(fù)載是地鐵車輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中最大的110V直流負(fù)載。緊急狀態(tài)下完全由蓄電池供電，一般要求供電維持時(shí)間為45min。在選型時(shí)，首先應(yīng)計(jì)算地鐵車輛緊急負(fù)載功率，然后根據(jù)該功率的大小、地鐵車輛的運(yùn)用條件、電池的性能參數(shù)等條件計(jì)算蓄電池的容量。按照具體型式的電池性能參數(shù)計(jì)算出電池組的容量數(shù)據(jù).結(jié)合電池組對(duì)地鐵車輛運(yùn)用條件(如溫度、濕度、抗震、耐過(guò)充過(guò)放、與110V直流電源的匹配、可維護(hù)性、環(huán)境保護(hù)、人身安全、體積、質(zhì)量等)的適應(yīng)性進(jìn)行比較.確定最適合的電池容量值。

3 蓄電池容量計(jì)算

蓄電池計(jì)算容量主要取決于車輛在緊急工況下，應(yīng)急用電設(shè)備的總功率和應(yīng)急供電的總時(shí)間，再結(jié)合蓄電池自身低溫修正系數(shù)及放電深度等因素，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

3.1 車輛緊急工況下用電設(shè)備總功率統(tǒng)計(jì)（參考某B型車項(xiàng)目）

在45min內(nèi)持續(xù)為以下應(yīng)急負(fù)載供電：全部緊急照明、全部頭燈和尾燈、所有與安全有關(guān)的控制系統(tǒng)、全部通信設(shè)備（包括列車廣播、車載無(wú)線電等）、客室緊急通風(fēng)、所有客室側(cè)門的一次開關(guān)。供電45min后蓄電池的電量足以使列車再次啟動(dòng)。緊急負(fù)載功率參數(shù)如表1。

?

考慮DC110V/DC24V變換器的變換效率η約為0.85，若折合為DC110V的功率 為：0.46kW/0.85=0.54 kW

3.2 車載蓄電池總?cè)萘坑?jì)算

式中：P-蓄電池所帶負(fù)載總功率，W；U-直流系統(tǒng)額定電壓，V；T-應(yīng)急時(shí)間，h。

蓄電池單節(jié)浮充電壓為：1.45V～1.55V取1.55V

DC110V電壓范圍為：77V～121V取121V

蓄電池單體額定電壓：1.2V

蓄電池單體放電終止電壓：不大于1.05V

蓄電池單體放電平均電壓：（1.2+1.05）/2=1.125V

因?yàn)槊拷M所需蓄電池?cái)?shù)量的確定還需考慮其他因素，所以不能簡(jiǎn)單地確定為110÷1.2＝91節(jié)。

根據(jù)電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并咨詢國(guó)內(nèi)資深蓄電池設(shè)計(jì)師，認(rèn)為按照下述公式進(jìn)行浮充蓄電池?cái)?shù)量的選擇是比較合理的：

Ni=Uc/Uj=121/1.55=78.06，所以蓄電池取78只。

式中：Ni-蓄電池?cái)?shù)量，節(jié)；Uc-車輛低壓系統(tǒng)允許最大電壓，V；Uj-單節(jié)蓄電池浮充電壓，堿性蓄電池取Uj=1.55V/節(jié)；

整個(gè)蓄電池組額定電壓為：1.125V×78=87.75V。

但是如果按此數(shù)量設(shè)計(jì)，則蓄電池組總體電壓偏低，一旦充電機(jī)停止工作，僅靠蓄電池供電，用電時(shí)間不長(zhǎng)，可能使車上欠壓保護(hù)動(dòng)作，造成車上檢測(cè)系統(tǒng)工作的錯(cuò)誤，帶來(lái)不必要的損失。作為修正，增加2節(jié)蓄電池，同時(shí)適當(dāng)提高充電機(jī)的充電電壓U。這樣，U=（1.45～1.55）×80=116～124，取較高的124V作為充電電壓。因此，每組蓄電池?cái)?shù)量為80節(jié)，則蓄電池組電壓為：

蓄電池組額定電壓：1.125×80=90V

浮充電電壓：1.45×80=116V

放電終止電壓：1.05×80=84V

蓄電池組的浮充電電壓略小于輔助逆變器的充電機(jī)輸出電壓，這與充電系統(tǒng)的輸出電壓是匹配的。

蓄電池放電電流為：I=P/U=（22.776+0.54）/90=259.1A

根據(jù)地鐵車輛應(yīng)急供電要求，T=45分鐘，即0.75h，這樣計(jì)算，C0=194.325Ah

在應(yīng)急工況下，列車側(cè)門開/關(guān)一次，負(fù)載瞬時(shí)為17.6KW，開/關(guān)門一次時(shí)間最多T=10s，

蓄電池電壓取放電終止電壓84V，則開/關(guān)門一次實(shí)際需要消耗蓄電池的容量為：

在緊急工況下，列車受電弓升/降弓一次，升/降弓瞬間負(fù)載為P4=0.8kW，升弓一次使用時(shí)間最多為8s，降弓一次使用時(shí)間最多為7s，T=15s；蓄電池電壓取放電終止電壓84V，則在應(yīng)急工況下，受電弓升/降一次實(shí)際需要消耗的蓄電池的容量為：

對(duì)于蓄電池實(shí)際所需容量Cj（單位：Ah），應(yīng)考慮各種因素進(jìn)行修正，其計(jì)算公式為：

式中：λ1-溫度修正系數(shù)，取λ1=0.9；λ2-充電效率，取 λ2=0.9；λ3-蓄電池老化系數(shù)，取λ3=0.8；λ4-蓄電池大容量放電系數(shù)，取 λ4=0.9；

因此，列車蓄電池總?cè)萘看_定為333.205Ah?？紤]到蓄電池容量要有10%冗余，列車一般選用兩組容量為180Ah的中倍率、免維護(hù)蓄電池，每蓄電池組含80節(jié)，作為應(yīng)急直流電源。

4 確定蓄電池類型

4.1 酸性蓄電池和堿性蓄電池的性能比較

目前在鐵路機(jī)車、客車上普遍使用的蓄電池有2種：一種是閥控式密封鉛酸蓄電池，一種是少維護(hù)鎘鎳堿性蓄電池。與鐵路上傳統(tǒng)的富液式酸性蓄電池及鐵殼普通鎘鎳堿性蓄電池相比，它們都具有使用壽命長(zhǎng)、少維護(hù)、不漏液、終身無(wú)需換液等優(yōu)點(diǎn)，但其整體性能有所不同，見(jiàn)表2

?

4.2 鎘鎳堿性蓄電池的優(yōu)勢(shì)

由上表可以看出，要獲得同等電壓等級(jí)，鉛酸蓄電池所需總數(shù)量較少，因而占用較小的空間，但鎘鎳堿性蓄電池在快充能力、放電深度、使用壽命、低溫性能和可靠性方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在地鐵車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，蓄電池組的可靠性尤為重要。

4.2.1 耐過(guò)充、過(guò)放電能力

輔助逆變器（帶充電機(jī)）對(duì)蓄電池的充電方式為恒壓限流式，鉛酸蓄電池允許的充電、放電電流較?。ㄗ罡?.3C10A），長(zhǎng)期以大電流反復(fù)充電會(huì)造成蓄電池的慢性損傷；鎘鎳堿性蓄電池則較能耐大電流充電（最高1C5A），同時(shí)比鉛酸蓄電池能耐大電流放電。車輛在檢修時(shí)極有可能造成蓄電池虧電，這將對(duì)鉛酸蓄電池造成極大的損害，而鎘鎳堿性蓄電池即使虧電至電壓為零也能恢復(fù)正常使用。

4.2.2 適應(yīng)環(huán)境能力

鎘鎳堿性蓄電池的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是低溫特性好，在-40℃的環(huán)境溫度下，電池容量?jī)H減少40%～50%；而酸性蓄電池在-40℃的環(huán)境溫度下，蓄電池容量會(huì)減少到25%。某些鐵路局的軌檢車技術(shù)條件中明確要求整車使用環(huán)境為-40℃～50℃，因此從耐低溫性能考慮，宜選用堿性蓄電池。在耐高溫方面，2種蓄電池的差異有：由于2種蓄電池的化學(xué)原理不同，閥控式密封酸性蓄電池不能通過(guò)失水的方式散發(fā)熱量，在過(guò)充電時(shí)，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強(qiáng)作用，可能導(dǎo)致蓄電池?zé)崾Э兀姵氐耐鈿?huì)起包、漏氣；鎘鎳堿性蓄電池不存在熱失控的現(xiàn)象。

4.2.3 帶故障運(yùn)行能力

如果某節(jié)鉛酸蓄電池因熱失控而損壞，相當(dāng)于這節(jié)蓄電池開路，這時(shí)整個(gè)蓄電池組相當(dāng)于開路，會(huì)失去作用。如果某節(jié)蓄電池由于誤接或其他原因造成短路，由于電池組少了一節(jié)蓄電池，造成蓄電池組的其他蓄電池上的浮充電壓接近于最高限壓值（2.4V），而這些蓄電池的浮充電壓并不是完全相等，一旦某節(jié)蓄電池上的浮充電壓超過(guò)最高限壓值，這節(jié)蓄電池就會(huì)很快發(fā)生熱失控現(xiàn)象，如此將產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，損壞所有蓄電池。

由于鎘鎳堿性蓄電池不存在熱失控現(xiàn)象，因此一般不可能出現(xiàn)單節(jié)蓄電池開路的情況。如果某節(jié)蓄電池由于誤接或其他原因造成短路，相當(dāng)于整個(gè)蓄電池組少了一節(jié)電池，由于堿性蓄電池的浮充電壓范圍較寬，因此對(duì)蓄電池沒(méi)有影響，而蓄電池組的電壓也只是下降1V～1.2V，仍然可以維持故障運(yùn)行。

4.2.4 蓄電池壽命

循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，鎘鎳堿性蓄電池的循環(huán)壽命是閥控式密封鉛酸蓄電池的1.5倍～2倍。從以上幾方面綜合考慮，鎘鎳堿性蓄電池更為優(yōu)越。同時(shí)，通過(guò)初步統(tǒng)計(jì)目前在運(yùn)營(yíng)的各地鐵項(xiàng)目，車輛配置堿性蓄電池的項(xiàng)目明顯比配置酸性蓄電池的項(xiàng)目多。

5 蓄電池的排布方式

從車輛廠實(shí)際生產(chǎn)的角度來(lái)說(shuō)，車載蓄電池的排布方式也很重要，這直接影響著蓄電池箱的結(jié)構(gòu)和安裝方式?？紤]到蓄電池箱為車下吊掛安裝方式，蓄電池箱的可操作性，我們一般采用如下排布方式。

6 蓄電池特性曲線

蓄電池的充電方式對(duì)蓄電池壽命影響最大，通常，我們按照IU特性進(jìn)行充電。

首先蓄電池充電器以最大的充電電流(1.5I5-2I5)對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電(恒流方式)，直到電壓達(dá)到U1。隨后蓄電池充電機(jī)以恒壓U1對(duì)蓄電池充電(電流值減小).當(dāng)蓄電池充電機(jī)檢測(cè)到蓄電池溫度T>TA時(shí)，充電電壓限制值為U4，即充電終止電壓。

如果充電電流下降到0.2I5-0.8I5，充電機(jī)將從恒定的充電電壓U1轉(zhuǎn)換為恒定值U2持續(xù)充電，同時(shí)充電電流持續(xù)下降（限壓方式）。

如果蓄電池電壓過(guò)低，低于U3，蓄電池充電器將又回到第一步均衡充電。如果有蓄電池內(nèi)的溫度傳感器導(dǎo)線松斷，充電機(jī)將繼續(xù)充電，以校準(zhǔn)電壓為溫度為TA時(shí)的電壓值（浮充電方式）。

蓄電池在環(huán)境溫度25℃時(shí)的充放電曲線如下圖：

可以看出，以0.2C5即40A的電流放電，放電至終止電壓1.05V，放電深度可達(dá)90%。

結(jié)語(yǔ)

堿性蓄電池比酸性蓄電池具有更多的優(yōu)勢(shì)，目前很多地鐵項(xiàng)目采用免維護(hù)鎘鎳堿性蓄電池，采用串并聯(lián)混合的連接方式，可以滿足地鐵車輛特殊應(yīng)急要求。

[1]朱品才.閥控式密封鉛酸蓄電池的運(yùn)行與維護(hù)[M].人民郵電出版社，2006.

[2]秦鳴峰.蓄電池的使用與維護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2009.

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

[4]IEC60623-2001，開口鎘鎳方形可充電單體電池[S].