高速磁浮列车车载电池温度监测系统研究

郭建宇

（上海磁浮交通发展有限公司，上海 201204）

0 引 言

上海磁浮示范运营线是我国第一条高速磁浮运营线，自2002年年底开通运营以来已安全稳定运行18年，与传统的轨道交通运输系统相比，磁浮拥有更高的速度和更大的提速空间，具有运行速度高、爬坡能力强、能耗低、安全、噪声相对较低等优势，常态最高运行速度可达431 km/h。

磁浮列车蓄电池组是磁浮列车电网的重要组成部分，除了具备应急电源的功能外，还是车辆电网系统与外部高压电网之间重要的能量“缓冲池”。目前轨道交通车辆上主要使用的蓄电池有两大类：铅酸电池和镉镍电池。经过多年的发展和应用，铅酸电池不论在工艺和性能上都已经比较成熟和稳定，并且价格相对较低，得到了行业的广泛应用，但铅酸电池也有它自身的缺点，比如体积大、充电时间长、寿命短等；反观镉镍电池的体积更小、充放电性能好，维护方便，使用寿命长，并且镉镍电池坚硬的外壳可以很好的保护蓄电池的内部结构，成为磁浮列车蓄电池的理想选择。

不同于常规的轨道交通车辆，磁浮列车在高速运行时属于无接触供电，磁浮列车蓄电池组的容量更大，在特定条件下能够独立支撑列车的运行。由于磁浮列车特殊的工作原理，在其正常运行过程中会对车载蓄电池组进行频繁的充放电，电池相当于一直是在工作状态而不是处于备用状态，电池本身温度随之上升。因此，对蓄电池组的工作状态，特别是温度的监控对列车电网及列车安全都有着重要的影响。

1 高速磁浮列车电网

1.1 磁浮列车电网构成

磁浮列车每节车辆的车载供电如图1所示，主要包括：

（1）4个独立的440 V直流车载电网（N1、N2、N3、N4），由车载镉镍电池系统作缓冲；

（2）4个独立的带缓冲的24 V直流车载电网（N5、N6、N7、N8），由冗余的DC/DC变流器供给；

（3）2个独立的230 V交流车载电网（N9、N10），由DC/AC逆变器供电。

列车通过两种方式获取电力：线性发电机、动力轨。

（1）线性发电机供电：一个线性发电机由两个嵌于悬浮磁极表面的闭合导电线圈并联组成。当列车运动时，线性发电机随磁场变化产生交流感应电势，列车运行速度越高，感应电势越高，然后经由整流单元转变成直流电。

（2）动力轨供电：列车通过伸出受流器与动力轨接触受电。

当列车静止或速度低于20 km/h时由动力轨单独供电。

当列车速度大于20 km/h低于100 km/h时，动力轨、线性发电机同时给列车供电。当列车速度大于100 km/h时，从线性发电机获取的电力已能够满足车辆对电能的需求，受流器自动缩回。此时440 V蓄电池处于浮充状态，440 V蓄电池要满足涡流制动的能量要求，同时具备故障情况下可供使用的电量储备。

1.2 磁浮列车蓄电池组

如图2所示，一组440 V蓄电池由352个额定电压1.2 V的镉镍电池单元串联组成，放置于两个蓄电池箱内，容量27 Ah。一次通电过程中当440 V蓄电池放电量累计达6.5 Ah时，列车产生报警信号“Kein_Zwangschalt”，将会强制停车于当前停车点，直至报警消除才能再次正常发车。

每组24 V蓄电池由20个1.2 V的镉镍电池单元串联组成，4组24 V蓄电池置于同一个蓄电池箱内。24 V蓄电池主要用于异常情况下的紧急照明、紧急通信等。当440 V电网故障时可以保证紧急功能至少1 h。

2 高速磁浮列车电池温度监测系统

2.1 电池温度监测系统原理

目前应用比较广泛的电池管理系统往往会对电池的电压、温度、充放电电流及电池容量等参数进行实时监控，以保证电池运行的可靠性和高效性，从而延长电池的工作寿命，保障设备的安全。但由于上海磁浮示范运营线目前运营的车辆只有4列，相比大规模运行的动车组和城市轨道交通列车组，上海磁浮车载电池组数量相对较少，并且磁浮车载蓄电池组会定期在特定的设备上进行维护测试，以保证电池组的最佳工作状态，因此，磁浮车载诊断系统中只设置了对电池温度的实时监测。

通常情况下，电池温度每升高10 ℃，其电化学反应速率增大一倍，但电池组本身的散热速度只是呈线性变化。所以，如果对电池的温度失控就可能造成比较大隐患或事故。为了对每个电池单元的最高预警温度进行监测，本系统采用图3中的Protectowire感温电缆对电池的温度进行监测。Protectowire感温电缆可以理解成某种固定温度阈值的传感器，动作温度为88 ℃，当工作环境温度达到阈值时，感温电缆内部两条分别被热敏聚合物薄膜包裹的导线接通。一条感温电缆就像无数个温度”传感器”串联一起，只要任一个“传感器”监测到高温后即可触发报警，反应迅速、稳定性高，原理如图4所示。

为了避免灰尘、潮湿、振动对感温电缆的影响，特在感温电缆的外层使用聚四氟乙烯管（PTFE）进行了保护。 PTFE是一种热塑性聚合物，兼容多种润滑剂，其耐化学性远远优于其它的密封材料。PTFE表面光滑、抗污能力强，且使用寿命更长，正常工作温度范围为可达-70～+200 ℃，同时能够防止温缆遭受电池爬碱的腐蚀，非常适合磁浮列车电池组的工作环境。

电池温度监测系统中使用的电来自蓄电池组，在列车的正常运行过程中蓄电池组电压超过108 V。本系统采用 THP 3-7222直流转换器对输入电压进行转换，其输入电压为36V～160V，输出电压为±12 V，绝缘标准高、抗电磁干扰能力强，特别适合在铁路运输系统、医疗设备等领域。

2.2 电池温度监测系统硬件实物

磁浮列车电池温度监测系统由电池组本身供电，并根据电池箱实际空间被密封在一个绝缘的长方形壳体内，感温电缆由壳体相应的孔处伸出，实物和安装方式如图5和图6所示。

3 电池监测系统测试

为了在线下对磁浮列车电池温度监控系统进行测试，又在温度监控模块中加入了测试按钮PB，如图7所示可以使用PB按钮来模拟温度电缆遇热通路的情况发生。

当PB按钮未按下时，常闭继电器所在测量通道2的两接口之间通路，外围电路状态改变。

当PB按钮按下时，常闭继电器上电断开，测量通道2两接口之间断路，外围电路状态改变，测试结果如图8、图9所示。

目前已上车进行试验的14组带温度监测系统的电池组运行状态良好，无误报。

4 结 论

从线下测试和上车试验的结果看，此种电池温度监测系统设计简单、可靠性强，能够简单有效的对电池高温进行监测并及时报警，对保障列车的安全运行起到了重要作用。

另外，此系统还有进一步优化的地方，如对电池的电压、电流等参数进行监测，并根据监测到的电池的性能参数对电池的电荷状态等进行估算，进行在线诊断，均衡管理充放电，保证电池处于良好的运行状态，从而增加电池的寿命，提高经济效益。