锂电池在悬挂式单轨列车辅助供电系统的应用
发布时间：2021-11-26
摘 要：文章通过对蓄电池性能的对比分析，指出锂电池在悬挂式单轨列车辅助供电系统中具有明显的应用优势，并详细阐述其不同工况下的供电原理及供电电路设计。实际应用证明，采用锂电池作为备用电源的方案能够满足悬挂式单轨列车在各种工况下的辅助供电需求。
关键词：悬挂式单轨列车;锂电池;供电系统;应急供电
1 概述
悬挂式单轨列车是一种新制式的公共交通工具，走行轨道箱梁由墩柱支撑悬挂在空中，列车悬吊于走行轨道箱梁下运行，车载牵引逆变器、辅助逆变器、空调等设备均安装在车顶。由于走行轨道箱梁与车顶之间的限界限制及车体结构小等特点，使得车顶设备安装空间极为有限，需要车载设备尽可能地采用集成化和小型化设计。另外，由于列车在运行过程中悬挂于半空的特点，增加了列车在正线出现故障时实施救援疏散的难度，因此对列车应急供电续航时间要求更高。
悬挂式单轨列车正常运行时，蓄电池为列车提供唤醒直流供电，列车唤醒之后自动转换至由车载充电机提供辅助系统DC24V直流电，蓄电池进入充电备用状态。在车辆运营期间出现重大故障需要救援疏散时，蓄电池为列车提供应急电源，保证在乘客等待救援及疏散过程中有良好的通风、照明，使通信设备正常工作等，在列车辅助供电系统中的作用极为重要。本文根据悬挂式单轨列车的特点对辅助供电系统蓄电池的选择进行分析，并进行蓄电池供电电路设计。
2 蓄电池选择
目前国内轨道交通车辆大部分使用镍镉蓄电池作为辅助供电系统备用电源，有少部分使用阀控铅酸蓄电池。虽然这两种类型的电池质量和体积都比较大，镍镉蓄电池还需配备专用加液设备，但蓄电池价格相对较低，使其在设备安装空间宽裕、重量要求不敏感的地铁车辆及铁路客车上得到广泛应用。镍镉蓄电池和铅酸蓄电池均含有重金属，在生产和后期处理过程中会给环境带来危害。随着环保要求的逐步提高，将会造成车辆运营方在电池寿命到期后的处理成本增加。
近几年，随着锂电池技术的成熟、成本降低和应用推广，国内各大主机制造厂已开始研究锂电池在城轨车辆的应用。
悬挂式单轨列车因其车顶设备安装空间有限，蓄电池续航时间要求更高的特殊性，对于应用高能量密度蓄电池的研究需求更为迫切。根据国内现有试验线悬挂式单轨列车现状，车顶预留给每个备用蓄电池组的安装空间约300mm×800mm×400mm(长×宽×高)，每组蓄电池容量为24V/200Ah。随着悬挂式单轨列车逐步商业化运营，车载智能检测设备呈现增加趋势，届时对列车设备安装空间和蓄电池续航的要求将更加严苛。另外，为控制整体工程造价，通过控制列车轻量化可有效降低轨道墩柱的用料成本，因此对于车载的每个设备在保证功能需求及安全的基础上均需要严格控制质量。
鉴于上述情况，将各类列车辅助供电蓄电池性能情况进行对比，具体如表1所示。
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表1对比结果显示，锂电池在体积和质量上具有明显的优势，能量密度是其他类型电池的5倍以上，循环寿命长，维护简单。锂电池的这些优势恰好能够有效解决目前悬挂式单轨列车比较凸显的车顶设备安装空间有限、救援应急供电续航需求时间长(要求电池容量大)、轻量化降低工程造价等问题。综合上述考虑最终选择锂电池作为列车辅助供电备用电源[1]。
3 辅助供电系统设计
3.1 锂电池电源组成
悬挂式单轨列车锂电池电源主要由锂电池模组、电池管理系统(BMS)、保护熔断器、隔离开关、温度传感器、电流传感器、输出接触器等组成。BMS对电池组进行有效的监控、保护、能量均衡和故障警报，以提高整个电池系统的工作安全性和使用寿命。
3.2 系统工作原理
锂电池电源供电可靠性在悬挂式单轨列车辅助供电系统中尤为重要。锂电池电源采用BMS对锂电池模组进行实时监测，并与列车控制与诊断系统(TCMS)之间使用CAN网进行数据通信，司机可通过TCMS显示屏对锂电池电源的状况进行查看，如输出接触器状态，温度，电流，电压等信息。在锂电池电源出现故障时，能够在TCMS显示屏提示司机及时处理故障，避免影响列车紧急工况下的应急供电。
在电路设计方面，既考虑锂电池电源正常情况下实现供电，又考虑在保证锂电池电源安全前提下有备用操作方式。列车辅助供电系统原理如图1所示[2]。
3.2.1正常工况下的锂电池供电原理
正常工况下，司机上车后操作唤醒按钮(WUPB)，BMS得到唤醒指令后闭合其主控制开关(MS)，驱动电池输出接触器(K1)线圈动作，车载锂电池对外提供控制电源。车载充电机自检无故障并得到高压供电后，为锂电池电源充电并为车辆低压负载供电。车辆供电母线两端设置防逆流二极管(D1)，防止远端车载充电机向本端电池组充电，影响整车蓄电池充电策略。锂电池电源在充满电后进入浮充电状态备用。列车需要休眠时，操作WUPB按钮，BMS得到指令后控制延时并断开MS，使接触器K1失电断开输出电路，列车进入睡眠状态，随后BMS进入低功耗待机状态等待列车唤醒指令。
3.2.2应急供电工况下的锂电池供电原理
锂电池电源工作正常时，在列车因车载充电机故障或其他故障导致需要应急供电工况下，接触器K1持续保持闭合状态，锂电池电源由浮充电备用状态自动转为应急供电状态，为列车紧急通风、紧急照明、通信设备等供电，其应急供电电路原理见图2(a)。
如果锂电池电源因过温或过充等情况导致BMS出于保护电池组而断开其主控制开关MS，使得接触器K1打开，此时列车将无法自动转为电池应急供电。为避免此类情况影响列车应急供电，在电路中设置紧急供电按钮(EMPB)作为备用控制。
在同时满足BMS判定未出现严重故障、司机按下EMPB按钮时间不小于5s的条件后，延时失电继电器K2动作，接通K1实现列车应急供电。在设定的延时供电时间后，K2触点断开，K1线圈失电，列车应急供电结束。其应急供电电路原理见图2(b)。
当BMS内部故障或其供电断路器(BMSCB)跳闸时，电池组故障状态开关(FS)保持闭合，BMS主控制开关MS断开，此时司机仍可通过操作紧急供电按钮实现应急供电。
3.2.3锂电池电源亏电[3]
当锂电池电源亏电无法实现列车唤醒时，司机通过操作手动装置(储能装置供电采用强制输出方式，第三轨供电采用外部气动装置升靴)为列车提供高压电，车载紧急启动装置在得到高压供电后，将高压电直接转换为低压控制电供给车载充电机，使充电机实现启动并对车载设备进行供电，但此时接触器K1处于断开状态，导致车载充电机无法给车载电池充电。此工况下，司机通过操作列车唤醒按钮将MS闭合，最终使K1得电，接通车载电池充电通路，锂电池电源进入充电状态。
4 结束语
本文根据悬挂式单轨列车的特点，对其蓄电池的选择进行对比分析，最终选用锂电池作为备用电源，并介绍了锂电池供电系统的供电电路设计方案。目前已在成都空铁试验线列车上成功应用，有效解决了列车设备安装空间有限的问题，增加了应急供电续航时间，为列车实施救援、疏散乘客提供了充足的应急供电时间保障。
经试验车验证，列车正常唤醒、应急供电、电池亏电等多种工况下的锂电池电源供电控制策略是可行且有效的，能够避免在列车紧急工况下蓄电池组无法放电的问题，可为锂电池在轨道交通车辆辅助供电系统中的应用提供参考。——论文作者：赵维恒1，张 丽1，赵龙兵2，赵正虎3
