锂离子电池在动车组辅助电源系统的应用
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摘要：近年来锂离子电池的发展非常之快，在动车组辅助电源系统的应用也非常的广泛，本文针对锂离子电池在动车组辅助电源系统的应用做分析，来为本行业的人员提供参考。
关键词：锂离子电池；动车组辅助电源系统；应用
引言：中国高铁的建设和发展，为我国国民经济发展提供安全可靠、高速度、大容量运力保障，进一步缓解铁路运力紧张、提高运输服务品牌和运输服务质量的重要举措。高铁在走出去的过程中， 必需加快铁路核心技术的全面自主化工作，要形成完整的标准体系，推进中国标准动车组的研制，以及高铁运营的完整体系。高速列车的轻量化水平不仅直接决定了高铁运行的安全性、平稳性、舒适性、能耗和对环境产生的噪声影响，是高铁提速的关键影响要素。其中辅助电池系统的高性能、轻量化和长寿命也是设计中的一个重要部分。
1、动车组辅助系统蓄电池的发展现状
1.1 动车组辅助蓄电池组的要求
动车组辅助蓄电池组的主要功能是车辆在接触网电压缺失或者变流器故障等情况下，作为应急备用电源向车内负载（如照明、升降弓等）供电，要求电池具有以下特性：重量轻，适应动车组轻量化设计理念，实现车辆运行的高安全性和低能耗；功率特性好，可满足动车组大电流放电的需要；温度适应性宽广，能够在-40℃--60℃的环境温度下稳定工作；长寿命，电池的寿命长，降低电池更换工作量和运营成本；安全性好，电池的安全性高，能有效的保障车辆运行的安全；能够适应动车组行驶时振动的要求，自放电低，无污染环境，无记忆效应，回收利用性好等。
1.2 动车组辅助蓄电池组的发展
现有的蓄电池主要包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。目前动车组用辅助蓄电池主要有两大类：一类是铅酸电池，一类为碱性镍镉电池。长期以来，铅酸电池以其工艺成熟、性能稳定、售价低廉等优点得到了广泛的使用；但由于其重量和体积大、充电时间长以及寿命短，使得铅酸电池不能满足现代动车组高效运营的要求。与铅酸电池相比，镍镉电池大电流放电特性好、耐过充放能力强、维护简单，在动车组上得到了广泛的应用，但由于具有记忆效应、能量密度较低、含重金属存在环境污染等限制了镍镉电池的持续发展。
锂离子电池是20世纪90年代发展起来的，具有量密度高、寿命长、充放电效率高和无环境污染等优点，最初的锂离子电池原料以钴酸锂为主，后来陆续推出了锰酸锂、三元和磷酸铁锂等体系的电池，电池的安全性和循环寿命有了长足的进步，锰酸锂电池和磷酸铁锂电池的循环寿命分别达到600次和2000次，并在电动汽车等场合得到了推广应用。但由于上述电池均采用碳作为负极，低温环境下，锂的嵌入和脱出负极能力下降，因此电池的最低充电温度都接近0℃，这不能满足动车组使用的需要。近年来推出了以钛酸锂为负极的钛酸锂电池。该电池在电池能量密度略有下降，但电池的温度适应性、电池寿命、安全性等都有大幅的提升。综合考虑动车组对蓄电池的低温性能、使用寿命、安全性、能量密度等方面的要求，钛酸锂电池是目前最适宜在动车组上使用的电池。
2、钛酸锂电池的性能
目前在世界上主要的锂离子电池生产国家有日本、韩国、美国和中国，国内已经制定了严格的锂离子电池的安全检测规范，并且已有很多种规格的锂离子电池通过了检测，可以保证正常使用状态下的安全。
2.1 钛酸锂电池的性能
钛酸锂电池是近几年来刚刚发展起来的一种新型锂离子电池，其突出特点是安全性好、倍率特性好和寿命长。测试显示，钛酸锂电池不论是常温还是高温下，即使是大倍率循环，均表现出了良好的容量稳定安全测试。钛酸锂电池由于负极对锂的电位高达1.55V，在过充时不会像常用的石墨负极那样出现锂枝晶，因而赋予了它可以大电流充电的特质，并且过充安全性要远远优于石墨负极。通过以上分析和测试可见，钛酸锂电池的安全性相对最好，并且在使用钛酸锂电池后，蓄电池组在重量及性能等方面均有显著优势，因此将钛酸锂离子电池应用到动车组上的方案是可行的。
3、钛酸锂离子电池成组技术
为了达到一定的电压、功率和能量等级，动车组用的辅助电池需要串联成组使用。由于生产和使用过程中的不一致，电池之间的差异性客观存在。为保证锂离子电池组在使用的过程中不出现过充点、过放电，在过高或过低的环境温度中使用降低其使用寿命，锂离子电池组需电池管理系统和充电器配合，来保障锂离子电池组的安全使用，并延长其使用寿命。
3.1 电池管理系统
在电池使用过程中，电池管理系统能实时的检测每个电池电压、温度、电池组工作电流；并对电池组的荷电状态和最大允许充电电流进行估算；依据检测到的电池信息，对电池的故障状态进行诊断和定位；必要的时候可启动风机，实施热管理；通过总线与充电机之间的数据交换，将单体电池电压、温度和电池组故障状态及时反映到充电机，实现充电过程的多变量闭环控制，保障充电过程安全；极限情况下可切除电池，防止出现安全隐患。
4、动车组辅助系统蓄电池应用方案
4.1 动车组辅助系统蓄电池的基本工作模式
辅助系统蓄电池采用锂离子电池组，由于锂离子电池自身特点，在设计全新辅助系统的时候需考虑几点问题。1、建立充电机与BMS之间的通信，从而使充电机能够根据BMS指令对电池组进行充放电控制，达到延长电池寿命，提高电池系统利用率的目的。2、引入整车上下电信号控制到电池系统，保证整车上下电时，保护开关的正确逻辑及下电后BMS断电，减少BMS对电池系统的能量消耗，防止长时间停车时电池过放。3、在应急供电情况下，切断分级负载的电压阀值需要根据锂电池配置进行更改。
4.2现有车辆蓄电池应急电源系统改造方案
在现有车辆蓄电池应急电源系统中，由于充电机与电池系统没有通讯接口，因此可仅更改充电机内部控制参数，使其适应对锂离子电池进行充电；电池组的过充、过放保护由电池组内部完成。此模式下，电池系统的充电电流仅由充电机控制，控制灵活性稍差。整车上下电控制信号与蓄电池电压阀值仍需要改造。
4.3电池系统的安全性设计
故障导向安全设计
通过对整个电池组的工作状态及潜在故障统计分析，电池系统设计中充分考虑系统的其潜在失效模式，保证系统的安全、可靠运行。对单体电池的电压检测，避免单体电池过充、过放。对电池系统温度检测，保证电池系统不工作在过温或低温状态。对电池系统电流检测，保证电池系统不工作在过流状态。均衡管理，保证电池组各节电池的一致性。
电池单体及电池组故障处理
故障处理采用分级处理的模式，对不同的故障情况进行分级分析，并通过通讯上报故障信息。根据电池的特性及电池组工作情况对各故障进行分类，根据故障的严重等级进行分类，分为一、二和三级故障，处理故障方式分别为告警、降功率运行和切断功率回路。电池系统中配备加热设备，在环境温度过低时开启加热保证其工作在理想工作温度范围内。
4.4 电池系统的可维护性设计
电池管理系统在电池系统使用过程中会实时检测电池系统的各项参数指标，监测锂电池系统状态。电池管理系统具有电池均衡功能，通过对各电池的状态监测，根据均衡控制策略，对电池容量偏差较大的电池进行均衡管理，保证电池组中的各电池的容量一致性在一定的范围内，电池系统可实现免维护。
结束语
总而言之，合理的在动车组中应用锂离子电池，不仅可以有效的缓解能源不足的问题，减少对环境的污染，实现整车轻量化设计，应该大量开发锂离子电池在轨道交通行业的广泛应用。
参考文献
1. 潘辉. 关于高速动车组辅助供电系统应用及故障处理的概论[J]. 中国战略新兴产业， 2018， No.156（24）：92.
2. 林小丹， 馬岩， 陆继岩. 我国各型高速动车组辅助供电系统的对比分析[J]. 内燃机与配件， 2018（13）.
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