钛酸锂电池在地铁车辆中的应用研究
介绍
ID：城轨
钛酸锂电池在地铁车辆上的应用研究
1 概述
目前轨道交通车辆对车载储能组件的要求越来越高，这对车载储能组件提出了新的要求：
1）储能设备应具有高能量密度和高功率密度，以满足高功率输出和高能量负载条件下的车辆轴重限制要求；
2）温度适应性宽，可在-50~60℃环境温度下稳定工作；
3）寿命长，减少储能组件的更换周期，降低运营成本；
4）安全性好，当储能元件或储能元件电路发生故障时，不会危及车辆和车上人员；
5）抗振能力强，能适应车辆行驶时的振动要求；
6）自放电率低、无环境污染、无记忆效应、可回收性好等。
现有电池主要包括铅酸电池、镍镉电池和锂离子电池，而用于地铁车辆的辅助电池主要包括铅酸电池和碱性镍镉电池。 长期以来，铅酸蓄电池因其技术成熟、性能稳定、价格低廉而得到广泛应用。 但由于铅酸蓄电池重量和体积较大、充电时间长、寿命短，已无法满足现代轨道交通的高效率要求。 操作要求。
与铅酸电池相比，镍镉电池大电流放电特性好，耐过充放电能力强，维护简单。 但由于其记忆效应、能量密度低、重金属造成环境污染等因素，镍镉电池受到限制。 持续开发电池。
锂离子电池具有重量轻、体积小、寿命长、电压高、充放电效率高、无污染等优点。 因此，它们在电网储能领域得到了广泛的应用，在轨道交通领域的应用也处于起步阶段。 阶段。 在各种锂离子电池类型中，钛酸锂电池采用钛酸锂材料作为电池负极，具有更好的低温特性，且钛酸锂电池负极表面不形成SEI（固体电解质） ）薄膜，具有更好的安全性和更长的使用寿命，使其成为轨道交通领域最具应用潜力的电池之一。
本文以昆明地铁5号线车辆辅助供电系统选型为例，提出钛酸锂电池系统的设计方案，并分析不同因素下的电池容量下降情况，为制定钛酸锂电池系统提供理论和指导。钛酸锂电池系统的控制策略数据支持。
2 地铁车辆辅助电池系统容量计算分析
昆明地铁5号线车辆辅助动力系统拟采用钛酸锂电池。 每列列车辅助电源配备2个电池组，并联为110V辅助负载提供应急电源。 根据项目要求，当列车无电网电压时，辅助电池系统的容量应能够供给车内应急照明、应急通风、应急显示、维护电源、通信与控制等应急辅助负载。列车运行45分钟，并保证列车开关门一次； 同时还需要满足基地内车辆自牵引2公里的功能要求（仅保证基本的直流110V负载运行，此时辅助电池系统无交流380V输出） ）。
2.1 辅助电池系统应急负荷计算分析
据昆明地铁5号线车辆供应商提供的信息，车辆应急负载总功率为17.41千瓦（不含开/关功耗），工作时间为45分钟。 考虑应急负载工作45分钟，能耗为17.41×45/60=13.057 5 kWh； 一次开关功率为0.64kW，时间为10s，则一次开关能耗为0.64×10/3 600≈0.001 8 kWh； 车辆应急负载总能耗为：13.057 5+0.001 8≈13.06 kWh。
电池组额定电压为112V，车辆应急负载总能耗换算成辅助电池系统容量为：13.06kWh/112V≈116.61Ah。
2.2 辅助电池系统自牵引计算分析
根据辅助蓄电池系统各组蓄电池的放电电流和牵引能耗曲线数据（见图1）可知，蓄电池的峰值放电电流为338A/组，持续放电电流为78个A/组； 加上电池辅助负载功率输出（按10kW/组冗余计算），每组电池的辅助负载供电约为110A，则每组电池的峰值放电电流为448A/组，每组电池持续放电电流为188A/组。 列车在基地自牵引运行2 km时，主牵引回路直流侧能耗约为5.85 kWh，时间约为1 500 s。
昆明地铁5号线车辆正常负载功率为16.86 kW，电池系统辅助负载能耗为16.86×1 500÷3600=7.025 kWh； 当电池辅助系统进行自牵引时，电池系统总能耗为5.85+7.025=12.。
根据自牵引运行时辅助电池系统的总能耗，折算后辅助电池系统容量为：12./112V≈114.96Ah。
根据上述基地应急负载和自牵引两种工况的计算结果，车辆需要配备容量大于116.61Ah的辅助电池系统。
3 钛酸锂电池系统设计
钛酸锂电池是以钛酸锂材料（简称LTO）作为负极的锂离子电池。 这就是钛酸锂电池与传统锂电池不同的地方。 钛酸锂电池具有低温性能好、安全性高、重量轻、免维护、无污染等优点。 钛酸锂单体电池技术参数如表1所示。
根据地铁车辆辅助电池系统计算分析结果，考虑电池低温系数0.9、容量衰减系数0.8，电池系统所需容量为116.61÷0.9÷0.8≈161.96 Ah，因此整车需要配备容量>161.96 Ah的电池系统。 考虑到电池系统两个电池组配置的统一性以及单一容量规格的限制，昆明地铁5号线列车辅助电池系统规划配置容量为240Ah。 具体配置参数如表2所示。
根据基地应急负载和自牵引两种工况，对额定容量为240Ah的辅助蓄电池放电倍率能力的适用性进行了计算分析。
1）应急负荷时放电率的计算。
辅助电池系统为应急负载供电45分钟的放电电流为17.41kW/112V≈156A，该工况下的放电倍率为156A/240Ah=0.65C。
开关门一次（10s）时，辅助电池系统放电电流为0.64kW/112V≈6A，该工况下的放电倍率为6A/240Ah=0.025C。
辅助电池系统为应急负载供电45分钟时，连续放电倍率0.65C，峰值短时（10s）放电倍率0.675C。
2) 基地内车辆自牵引放电率的计算。
车辆在基地自拉时，各电池组峰值放电（10s）电流为448A，持续放电电流为188A，电池峰值放电倍率为448A/120Ah≈ 3.73C，连续放电倍率188A/120Ah≈1.57C。
综上所述，钛酸锂电池的放电倍率性能能够满足车辆应急负载和基地自牵引情况下电池系统的要求。
4 钛酸锂电池系统控制
昆明地铁5号线列车辅助电池系统方案设计如下：全车共安装两个电池组，分别安装在两辆拖车的底部。 两组电池组并联在110V直流母线上，共同向辅助负载供电。 两组电池组相互独立。 当一组电池组出现故障时，另一组仍能正常工作。 整车辅助电池系统拓扑如图2所示。
4.1 应急负载时电池组上电流程
整车控制给定的“电池使能信号”（安装在电气柜内，硬接线信号，需要具有200W的分断能力），然后整车控制给定的“电池启动信号”（高电平）代表电池启动的要求），BMS（电池管理系统）上电后，收到“电池启动信号”，自检无故障，控制闭合预充电接触器KM2进行预充电充电器直流侧的滤波电容。 预充电完成后，BMS控制闭合主正、负接触器KM1和KM4，然后整车控制闭合非永久母线接触器KM。 蓄电池即可开始向车辆直流负载供电，并对车辆辅助负载进行充电。
4.2 车辆底座自牵引时电池组上电过程
蓄电池具有独立的牵引总正负输出接口，可连接牵引逆变器蓄电池牵引控制箱（BOP箱）。 当车辆在路段需要电池进行低速牵引时，首先激活车辆，BMS控制总正负接触器KM1和KM4的闭合。 辅助负载正常供电后，牵引系统控制BOP箱内接触器闭合（应与车辆高压接触器联锁）。 电池在为永久母线负载供电的同时，也为牵引逆变器供电。 它为车辆低速牵引提供动力。
4.3 钛酸锂电池智能管理系统
电池管理系统是电池系统的重要组成部分。 具有实时监测电池状态、有效利用电池能量、防止电池过充过放、延长电池使用寿命等功能。 该钛酸锂电池智能管理系统由检测模块（从板）和主控模块（主板）组成，采用分布式管理方式。 检测模块主要负责检测电池电流、电芯电压、温度等系统状态，并将数据发送给主控模块； 主控模块对接收到的数据进行处理和计算，完成电池状态估算和控制、数据存储、与车辆上各个控制器的信息交互等。
钛酸锂电池智能管理系统设定电池组的安全工作范围。 电池必须在设定的安全工作范围内工作； 每个电池都经过测试，包括充电状态 (SOC) 和电池寿命状态。 （SOH）、电池剩余能量状态（SOE）、电池功能状态（SOF）和电池安全状态（SOS），关注异常电芯，合理平衡出现的一致性问题； 基于电池系统的热管理设计，对电池温度进行监控，确保电池系统温度合理一致。
5 钛酸锂电池浮充测试及结果分析
5.1 钛酸锂电池浮充试验方法
列车正常运行时，钛酸锂电池长期处于浮充电状态。 本文选用20Ah钛酸锂电池进行测试。 钛酸锂电池的正极是三元和钴酸锂的复合材料，负极材料是钛酸锂。 考虑到我国幅员辽阔，南北温差较大，设计测试温度为高温50℃，低温-40℃，电池在极端环境下进行浮充。 将两块电池（#1、#2）置于不同温度下进行浮充，分析不同环境下浮充对电池寿命的影响。 通过电池容量测试和浮充前后的容量增量曲线，对比分析电池容量的演变情况。
电池浮充测试的具体方案如下：
1) 以恒流恒压模式（CCCV）将电池充电至截止电压2.7V。 恒流充电速率为1C，恒压阶段电流降至2A，然后以1C恒流速率放电至截止电压1.5V，循环3次，校准初始值电池的容量。 同时对电池进行0.05C倍率恒流充放电容量测试，得到电池的最大可用容量和容量增量曲线。
2）将#1电池放入50℃恒温器中，以2.7V进行浮充测试。60天后，将电池在室温下放置24小时，分别以1C和0.05C倍率进行容量测试。
3）将#2电池放入-40℃恒温箱中，以2.7V进行浮充测试。60天后，将电池在室温下放置24小时，分别以1C和0.05C倍率进行容量测试。
5.2 不同温度对钛酸锂电池浮充容量的影响
浮充前后的电池容量测试结果如图3所示。#1电池在50℃浮充，#2电池在-40℃浮充。 浮充周期为60天。 图3(a)显示了电池在1 C倍率下的放电容量。 电池标称容量为20Ah。 经过浮充测试，两种电池的容量都有不同程度的增加。 其中，高温环境下浮充电电池的容量增加更为明显。 图3（b）显示了电池在0.05 C倍率下的放电容量。两种电池也都呈现出容量增加的趋势。 高温环境浮充电池容量增加0.30Ah，约1.39%，低温环境浮充电池容量增加0.21Ah。 ，增幅约为0.98%。
#1电池高温浮充前后的容量增量(IC, )曲线如图4所示，微分增量(DV, )曲线如图5所示。
在图4中，电池的正极材料形成两个峰。 第一个峰值对应的平台电压为2.2V，对应三元材料相变的电压； 第二个峰值对应的平台电压为2.35V，对应于钴酸锂材料的相变平台。 第一个峰的初始电压向右移动，但整个峰没有移动。 这说明不是内阻增大造成的，而是由于电池初始容量不一致，浮充后测量初始SOC偏大造成的。 ，导致电压起始点更高。 电池浮充后，第二峰高度较浮充前有一定程度的降低，可能会造成容量衰减。 曲线在固溶区附近明显上升，表明浮选导致固溶区附近容量增加。
从图5中可以清楚地看到几个峰值的位置交错，表明浮充前后容量的变化。 第一电压平台容量的起始点为0V，当第一平台结束时，即差分电压（dV/dQ）达到最大值时，浮充后的曲线到达较早，表明三元浮充电后产生物质。 容量损失，容量减少0.23Ah。 在随后的电压平台中，浮充后的微分增量曲线先左移，后右移，表明电池第二峰值容量下降，固溶区容量增加。 这与容量增量曲线的分析是一致的。 相应的。 其中，钴酸锂材料造成了0.27Ah的容量损失，而固溶体区域则出现了0.8Ah的容量增加。 电池在高温浮充时，钴酸锂材料产生的容量减少，三元材料和固溶体区域产生的容量增加。
#2电池低温浮充前后的情况类似，不再赘述。
钛酸锂电池在不同温度下浮充后，电池正极材料的容量变化如表3所示。从不同材料来看，钴酸锂材料在浮充后表现出容量减少的趋势，而容量则增加在固溶区附近，而三元材料更复杂，在高温环境下容量降低，在低温环境下容量增加。 产能增幅较小。 另一方面，在高温环境下，钴酸锂材料相应容量下降，固溶区容量显着增加。 温度应力加剧了反应过程和速度，促使更多的正极材料在负极发生副反应，形成固溶体。 溶解区部分容量增加。
钛酸锂电池浮充后，三元材料和钴酸锂材料在高温下会损耗。 两种材料在低温下的变化并不明显。 反应中在高端SOC处固溶区附近总是有电流注入，对应于内部电池正极的锂离子脱离并移动到负极，但负极由于锂嵌入，导致电极表面形成反应，导致固溶体区域的部分容量增加。 温度会影响电池材料的活性。 高温下反应更加活跃，不同的材料产生更多的容量。
通过不同温度下的满电浮充可以发现，电池会对钴酸锂材料造成明显的容量损失。 浮充对固溶区电池材料影响不大，但固溶区容量的增加说明温度是影响电池浮充容量的重要因素。 过高的温度可能会加剧电池材料的副反应，加速高电位平台反应，导致电池在充电末期形成更多的容量。 因此，在使用过程中，车辆电池箱内的温度应尽可能保持平衡，不能过高，以保证电池组的浮充寿命。
六，结论
基于昆明地铁5号线的车辆和线路情况，提出了钛酸锂电池作为辅助电源的系统设计方案。 通过仿真计算，验证配置的电池容量有一定的余量。 通过对钛酸锂电池在不同温度下进行浮充试验，研究不同因素下钛酸锂电池的容量变化规律及其变化机制，为辅助电池系统控制策略的制定提供理论和数据支持。
由于钛酸锂电池系统智能可控，大大减少了车辆电池的维护工作量，并且可以实现电池的实时监测和故障诊断，从而提高了车辆储能部件的安全性和可靠性。 随着市场对高功率、高能量储能组件的需求不断增加，钛酸锂电池制造技术和控制技术将不断提高，其功率密度和循环寿命将进一步提高。 对于地铁车辆辅助电源等应用，钛酸锂电池优势突出，发展前景广阔。