CAT蓄电池车辆锂电池牵引应用

摘要:介绍了天津地铁10号线车辆用锂电池的牵引功能，并对电池选型、主电路设计、车辆安全设计和控制策略进行了详细论述，为后续应用研究提供了经验。

关键词:地铁车辆、锂电池牵引、钛酸锂。引言
 地铁车辆是城市轨道交通系统设备的核心，也是整个地铁中最易受外界环境和条件影响的系统。如果轨距、轨道、供电、信号等系统出现问题，就会影响行车。
 
目前在AW3荷载下，基于地铁全线全天候工况，在不大幅增加列车自重的情况下实现自牵引功能，国内外地铁工程中尚无实际应用案例。我国电池的主要牵引形式是碱性高倍率电池供电，主要用于直路作业和车辆段调车。由于碱性电池能量密度比低，列车重量大，大大降低了其应用的可行性。
 天津地铁在2号线、5号线、6号线锂电池牵引研究的基础上，验证了利用列车电池的应急牵引功能实现大坡道长距离超载情况下车辆自救的可行性，并在地铁10号线全线首次采用钛酸锂牵引系统。

2、电池选型及参数

动力电池采用钛酸锂电池，钛酸锂电池的充电电位平台比以石墨为负极材料的锂离子电池略低1.55V。
即使在充电后期，在低温或高倍率充电条件下，这种负极的电位也不会达到锂离子还原为金属锂的电位，安全性更高。

表1:地铁10号线牵引电池参数

电池类型

钛酸锂电池

电池

20Ah 
 模块
 
2P10S 
 整列电池箱数

2箱
 
额定容量
 
40Ah 
 
40Ah×2 
 
额定电压
 
460V 
 工作电压区间
 
320V-540v 
 

 
 18.4kwh 
 
 
 36.8kwh 
 
持续放电电流
 
200A 
 
200A×2 
 
峰值放电电流90SOC，10S 
 
400A 
 
400A×2 
 
工作温度范围
 
-20℃~ 45℃
 
用电行为
 
 
过压、过流、过热、过载、短路保护等保护和报警功能。
 
电池管理系统
 
单元电压、模块温度、总电流、总电压、SOC估计、接触器控制、温度控制。

建议的SOC使用范围
 
10-95 
 
电池绝缘
 
隔热棉添加到门的端面。

箱数

2箱
 
线尺寸
2520mm * 1103mm * 590mm 
 重量

≤850kgu002F箱体

IP等级

IP65 
 冷却方式
 
自然散热
 
结构样式
 
拉出式台车便于维修和更换。

2。控制方案
 整车配备两组DC460V电池。当列车需要紧急牵引时，列车断开电网1500V高压，将高压蓄电池投入列车母线，牵引逆变器使用额定DC460V蓄电池电压进行紧急牵引。
 
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图1:天津地铁10号线蓄电池牵引电路示意图。
 
系统主要由两组电池组成，每组电池由一组BMS作为电池的核心控制和管理单元进行管理:
 
接触器KM1和KM2:作为蓄电池的上电接触器；当电池上电时，BMS首先控制闭合KM2接触器，然后闭合KM3接触器进行预充电，预充电完成后，控制闭合KM1接触器，断开KM3预充电接触器。当电池断电时，先断开KM2接触器，延迟1S后再断开KM1接触器。
 
 FU1和FU2保护整个电池系统，防止过载和短路；电流传感器和电压传感器对蓄电池系统和总蓄电池电压进行充电和放电。

3正常充电流程:
 紧急牵引后，或电池总电压小于等于DC 510 V时，BMS发送充电请求指令TCMS、TCMS、TCMS判断是否满足充电条件，即网压正常，电池充电器无故障，电池牵引使能信号为0，电池无故障，通信正常。如果满足充电条件，整车向动力电池发送电池允许启动信号，动力电池按正常上电流程动作。同时，整车发出牵引蓄电池充电器的启动命令。充电器收到启动命令后，根据BMS发送的最大充电电流和电压值进行恒流充电。电池充满电后，通过通信发送充电器停止电池侧输出充电电流。TCMS判断电池不需要充电或放电，然后将电池许可开始信号设置为0。BMS控制蓄电池中总正极接触器和总负极接触器的断开。BMS保持运行，监控电池状态，通过通信将电池状态数据实时发送到车载网络。

4。上电:整车设置电池允许启动信号为0，电池中主接触器断开，电池断电；整车控制切断DC110V辅助电源、电池管理系统和电池。

5电池管理系统

电池管理系统采用主从式设计。BMS从板采集各个单体电池的电压和温度信息，然后通过CAN通信传输给电池。