电力蓄电池牵引车牵引蓄电池的选型设计

纪军

摘要

文章對一种电力蓄电池牵引车选用牵引用锂电池的类型、可维护性、容量、充放电性能等参数的确定进行了分析，并最终选用400Ah磷酸铁锂电池。

【关键词】电力蓄电池牵引车（电力蓄电池工程车）统一名称 类型 容量 充电 放电

电力蓄电池以清洁能源作为动力，使用寿命长达30年。全寿命周期比相同功率内燃工程车减少碳排放量约2000吨，运营成本节省人民币约700万元。DC1500V接触网受流电力蓄电池牵引车采用双电源供电系统，在接触网断电的情况下可以用蓄电池进行动力牵引。因此，作为牵引用的蓄电池选型需考虑对机车牵引特性的计算，对蓄电池的充、放电性能均需进行考虑。本文结合相应电力蓄电池牵引车的技术特点，对其牵引用蓄电池类型、容量及蓄电池的放电率等特性进行分析。

1 牵引车的工作原理

1.1 工作原理

牵引车原理图如图1所示。

1.1.1 接触网供电

采用接触网供电时，接触器KM1闭合、KM2断开、KM3闭合，牵引蓄电池处于充电状态。采用牵引蓄电池供电时，接触器1断开、接触器2闭合、接触器3断开，牵引蓄电池处于放电状态。

接触网供电的额定电压为DC1500V，最高电压DC1800V，最低电压DC1000V，额定功率400kW。

1.1.2 蓄电池供电

牵引蓄电池供电时，电压在DC600V～876V之间，电池组额定电量不小于300kWh。

2 蓄电池状况

目前类似牵引车牵引蓄电池主要采用铅酸蓄电池，其体积大、重量大、使用寿命短、对温度敏感且易造成环境污染。电池是一种化学反应，每升高10度，电池寿命缩短一半，如在25度设计寿命为15年的电池，在35度的环境下运行寿命只有7.5年，在45度的运行环境下寿命只有3.75年，铅酸蓄电池工作原理如下：

（1）极板：提供活性物质及导电作用;

（2）隔板：防止电池正负极短路及吸收电解液作用;

（3）电解液：提供离子导电通路。

锂电池作为新型能源动力电池具有体积小、重量轻、使用寿命长、无记忆效应、免维护、无污染等特点。且相比传统蓄电池，锂电池可进行信息化管理，实现电池系统的状态和信息化管理。表1是同类型铅酸蓄电池和锂电池的对比。

考虑以上因素，且锂电池作为新型能源动力逐渐成为发展趋势，选取磷酸铁锂电池作为牵引车牵引蓄电池。

2 对牵引蓄电池的要求

电力蓄电池牵引车辅助负载容量按30kw核算，整个电池组容量为330kWh，推荐电池使用区间为10%～90%，即可用容量为330×0.8=264kWh

工况1：牵引车在蓄电池供电时牵引1辆45吨的车辆，在4006o坡道上运行。

（1）从0加速到14km/h的加速时间为7s，牵引蓄电池输出功率为275kW，此阶段所需电量为W1=PT=（275+30）×7/3600=0.593kWh

（2）从14km/h加速运行到20km/h的加速时间为4s，牵引蓄电池输出功率为379kW，此阶段所需电量为W2=PT=（379+30）×4/3600=0.454kWh

（3）以20km/h的速度运行10min，牵引蓄电池输出功率为278kW，此阶段所需电量为W3=PT=（278+30）×600/3600=51.333kWh

（4）前三个阶段所需电量总和为W=W1+W2+W3=52.38kWh，电池组剩余电量为W0=264-52.38=211.62kWh。以30km/h的速度输出功率42kW，辅助负载功率30kW，1小时耗电量为42+30=72kWh，则将电池组电量耗完所需时间T4=211.62/72=2.94h。

电力蓄电池工程车续航约3小时。

工况2：蓄电池达到寿命周期即将更换时，在蓄电池供电时牵引1辆45吨的车辆，在平直轨道上运行

蓄电池达到寿命周期即将更换时，剩余容量为最初容量的80%，此时，电量剩余为264×80%=211.2kWh，以30km/h的速度输出功率42kW，外加辅助负载30kW，1小时耗电量为42+30=72kWh，则将寿命即将到期的电池组电量耗完所需时间T4+=211.2/72=2.93h。

工况3：低压报警时，牵引1辆45吨车辆，在10‰坡道上以20km/h行驶锂电池理论上可以将电量完全释放出来，且对电池寿命和性能无影响，此处以设定电池电量为20%时报警为例，报警时剩余电量为264×20%=52.8kWh，输出功率42kw，在10‰坡道上以20km/h速度行驶，加上辅助负载30kW的情况下，每小时耗电为42+30=72kWh，则将电池组电量耗完时间T4-=52.8/72=0.73h，约44min。

3 磷酸铁锂电池的充、放电性能

3.1 充电性能

根据电力蓄电池车的实际使用需求，且突出锂电池的充电优势，采用快速充电方案，磷酸铁锂电池先以恒流80A电流进行充电，充电至852V时转为恒压充电，以恒压852V充电至电流下限≤21.6A时结束充电，在整个充电过程中如果某个单体电池电压≥3.65V则充电结束。整个充电时间大约6小时。充电曲线如图2所示。

3.2 放电性能

锂电池较传统的铅酸蓄电池相比放电倍率特性更好，在有效放电区间范围内电压变化小。不同厂家、不同型号的锂电池放电性能不尽相同，但大体走向曲线趋同，如图3所示。放电深度均超过90%。

4 磷酸铁锂电池的管理，增加维护

相应的管理系统可以完成单体电池电压检测、温度检测、总电流检测、系统的极限保护;同时对相应的电路板电路单元进行硬件故障诊断，执行相关的控制指令;负责对检测的数据进行实时处理，匹配硬件完成信号采集、解析和处理。同时可配备单独的显示单元用于信息显示，或使用网络通信进行数据通信。此管理单元的使用，方便蓄电池的检修、维护操作等。

5 结论

本文浅析了一种使用在电力蓄电池牵引车上的新能源牵引蓄电池——磷酸铁锂电池，对选用条件、容量、充电和放电等相应能力进行了阐述，并最终选择了400Ah磷酸铁锂电池。采用相应的锂电池除以上简述外，其在使用温度范围宽、管理系统更智能化等方面的优点不在赘述。

参考文献

[1]TB/T 1407-1988，列车牵引计算规程[S].

[2]杜玉峰，王晓勇.新加坡电力蓄电池双能源工程车牵引蓄电池的选型设计[J].电力机车与城轨车辆，2011（05）：28-30.

[3]杜玉峰，刘伟.地铁电动工程车牵引蓄电池参数的确定[J].电力机车与城轨车辆，2004（07）：36-37，69.