摘 要 [目的]现在地铁行业处于快速发展阶段，不断地引进新技术、新手段，主要目前均是提升乘客服务体验，车辆质量尤为重要，但整体运营环境与线路、供电、信号等专业息息相关，特别是地面线路，受外界因素影响较多容易出现无电故障，造成车辆坡停区间。[方法]现蓄电池牵引多数为段内调车，若将此项技术用于正线，当车辆出现无电故障时，可快速提升故障处置能力。[结果及结论]可通过增加电池容量及DC/DC装置将电压升至500V驱动牵引系统行驶，使车辆快速行驶到下一站，目前车辆可用过采用钛酸锂电池，设置两个电池组，单个容量为315Ah,可使车辆在平直轨道行驶至下一站。 关键词 快速发展；无电故障；地面线路；蓄电池牵引；DC/DC；行驶至下一站 中图分类号 （由编辑部填写） DOI: （由编辑部填写） Research on traction application of main line batteries based on lithium titanate batteries LIDongDong (1.Beijing Subway Operation Co., Ltd. Operation Third Branch, 102208, Beijing;) Abstract[Objective]The subway industry is currently in a stage of rapid development, constantly introducing new technologies and methods, mainly to improve passenger service experience. Vehicle quality is particularly important, but the overall operating environment is closely related to the line, power supply, signal and other specialties, especially ground lines, which are more susceptible to power failure due to external factors, resulting in vehicle parking on slopes.[Method]Most of the current battery traction is for shunting within the section. If this technology is used on the main line, it can quickly improve the fault handling ability when the vehicle experiences a no electricity fault.[Result & Conclusion]By increasing the battery capacity and DC/DC device, the voltage can be raised to 500V to drive the traction system to move the vehicle quickly to the next station. Currently, the vehicle can be equipped with lithium titanate batteries, with two battery packs, each with a capacity of 315Ah, which can enable the vehicle to travel on a straight track to the next station. Key wordsRapid development; No power failure; Ground line; Battery traction; DC/DC; Drive to the next station 现地铁行业建设较快，根据周边环境、成本及需求限制，部分线路采取地上线路运营方式，特别是改造站，受限于建造时期技术与成本限制，供电能力不符合现在运营环境，有过流顶闸风险，造成正线无电故障，整改周期较长，也因施工等客观因素出现线路接地等，造成车辆迫停断电区，严重影响乘客出行体验。为此新购置车辆蓄电池牵引功能需求越来越强烈，与常规段内调车需求不同，真正将蓄电池牵引应用的正线过程中，当车辆出现无电故障时通过蓄电池将车辆驱动到下一站，及时疏散乘客，避免乘客长时间在区间逗留，提升服务质量。本文主要介绍目前使用安全性能较高钛酸锂电池，配备BMS管理系统及主动灭火装置，运营速度可在平直轨道达到15km/h,AW3工况下可在34‰坡道启动。 1基本介绍 1.1.蓄电池工作原理 钛酸锂蓄电池系统在接到启动信号时，BMS管理系统首先进行自检，通过后闭合接触器，使蓄电池进行上电工作，当蓄电池出现过载或短路时熔断器断开对蓄电池系统进行保护。同时配置定量电流传感器对输出电流进行采集，作为保护装置的认定条件。蓄电池系统与车辆网络系统采用以太网通讯实现信息交互。设有维护开关实现断开蓄电池主电路。同时BMS管理系统及主动灭火装置可实现状态监测及发生火情时的保护装置。 电气原理图设计如下所示： 图1 电气原理图 1.2.负载容量测算 车辆无网压时提供辅助负载紧急供电45min，并保证车辆开关门一次，蓄电池正常情况下实现AW3正线牵引（正线最大坡道34‰，同时预留6编扩8编组容量），同时在牵引时为辅助负载供电，具体容量见下表： 表1蓄电池容量计算表 45分钟紧急供电负载功耗：P1=28.8kw W1=28.8kw*45min/60=21.6kwh/列 10秒开关门功耗：P2=4.8kw W2=4.8kw*10/3600=0.0134kwh/列 W3=21.6kwh/列+0.0134kwh/列=21.62kwh/列 单体额定放电电压：2.3V 蓄电池组串联数量：9*5=45串 蓄电池组的额定放电电压：U=2.3V*45=103.5V 换算成容量C=21.62kwh/103.5V=209(Ah)/列 影响蓄电池的容量系数 蓄电池的充电系数：取0.95 蓄电池老化系数：取0.91 温度影响系数：0.9 裕量：15% 通过计算得出紧急供电所需容量：=209Ah/(0.95*0.91*0.9)/0.85=316(Ah)/列 1.3.主要技术参数 蓄电池箱体由蓄电池箱和DC\DC箱体构成，蓄电池箱体内布置电池模组、电池管理系统（BMS）、接触器、熔断器，电流传感器等器件。蓄电池箱整体防护等级为IP65。DC\DC箱体防护等级为IP65（除通风孔外），DC\DC设置单独的风道，为IGBT模块散热片进行通风散热。 其主要参数如下表所示： 表2：蓄电池主要参数 1.4.BMS管理系统 主要功能分为数据采集分析计算功能、数据交互、故障保护三大类，主要功能如下： 1.4.1.数据采集分析计算功能： 电池管理系统通过对各单体电池电压、电池温度以及充放电电流数据进行采集，再进行分析计算从而对电池状态进行实时监控和保护。 1.4.2.数据交互： 电池管理系统通过以太网与整车TCMS通讯，对蓄电池状态数据和故障进行上报，并可以通过TCMS与充电机数据交互控制充电。 1.4.3.故障保护： BMS通过控制主回路的接触器，避免电池组过充、过放和过温，延长电池使用寿命、防止故障发生和蔓延。 HMI上显示两个蓄电池组状态信息，包括电压、电流、剩余容量、接触器状态、蓄电池箱温度，最高单体温度等信息。当蓄电池出现过温、过压、过流、烟雾报警等故障BMS将信息报给网络系统对乘务员进行提示。 1.5.主动灭火装置 1.5.1.工作原理 电池灭火系统主要采用主动式灭火方式，由灭火装置主罐体、BMS、探测装置等组成。蓄电池箱内发生火灾时，烟雾传感器通过报警信号发现火灾，烟雾传感器报警，BMS控制输出110V直流信号启动主动灭火，灭火装置收到电信号后，产生电流，内部的电热丝发热后形成断路，灭火器尾部的固态氮气受热后产生压力，压力推动灭火剂喷发，以达到触发灭火器的目的。 1.5.2.触发条件 烟雾探测器利用光的散射原理对烟雾颗粒进行检测，当烟雾传感器（检测烟雾浓度≥2.1%/m，灵敏度M≥0.12dB/m，持续30s）报警输出烟雾报警信号；且无烟雾传感器故障信号；且BMS检测蓄电池温度采集点最高温度达到40℃以上或者BMS监测蓄电池最高温度≥95℃，且持续30s以上，BMS控制触发主动灭火装置。 灭火器本身的触发条件：(1)电热丝得到电信号。(2)电热丝上的电流1A保持3ms（电流越大，保持时间越短）(3)固态氮气受热后产生压力。 除了烟雾传感器控制以外，主动灭火装置的触发还可以通过感温磁发电装置进行触发。感温磁发电装置无需外部电源供电，是烟雾探测触发主动灭火的冗余控制。当感温磁发电装置监测环境温度超过预设温度限界时（93±5%），装置中的热敏元件环产生形变并松开带弹簧的移动杆。脉冲电流通过输出端向灭火装置输出，同时反馈信号由初始状态下的常开状态改为常闭状态，触发状态反馈给BMS。 1.5.3.容量计算 根据灭火剂设计用量、灭火浓度、系统保护取悦容积及箱体尺寸计算得出： L=1.2*0.45L/m3*1.5m*2.1m*0.4m=0.68L 1.5.4.结论 所以所以每个蓄电池箱体需要配置一个700ml规格的灭火罐体，以便使灭火浓度达到4.5%以上，能够满足使用需求。 2蓄电池牵引设计 2.1牵引特性 图2 牵引特性曲线 蓄电池牵引能够满足6编组在34‰坡道上启动。 2.2制动特性 在蓄电池牵引过程中，制动力仅由空气制动提供，电制动将被切除。 2.3蓄电池牵引电气原理 蓄电池牵引工况下，牵引变流器由本端蓄电池供电。蓄电池箱内配有DC\DC升压装置，输出电压500，牵引风机由空调柜内牵引风机紧急逆变器供电。 图3 蓄电池牵引电气原理图 2.4蓄电池牵引能耗计算 根据蓄电池牵引仿真，6编组列车各单向区间蓄电池牵引能耗如下： 蓄电池牵引电流 图3 蓄电池牵引电流-左线 图3 蓄电池牵引电流-右线 根据线路及车辆技术条件，对区间能耗进行测算，情况如下： 表3：6编组列车蓄电池牵引能耗 蓄电池牵引最大容量区间：新龙泽站-西二旗满足6编组所需容量：60.97kWh×0.001/(2.3×45)=589Ah/列。 如后期扩编至8编组列车有2个区间不满足蓄电池牵引容量。区间覆盖率也可达94%，符合日常需求。 3结论 通过对近年来蓄电池牵引技术在许多项目应用，虽然多数为段内调车，实际正线应用较少，但蓄电池牵引仍为一种成熟、稳定技术，后续也将成为车辆不可或缺的功能。基于钛酸锂电池蓄电池牵引的研究，对比传统镍铬性能分析，在重量能量密度、体积能量密度、放电倍率、能量效率均有明显优势。通过DC/DC将110V转至500V后驱动牵引系统工作，同时配置大容量电池组，不仅能够有效提升运行速度，续航能力还能实现在34‰坡道启动。同时配置BMS管理系统，全方位的监控蓄电池状态，发生故障时进行有效提示，从材料选型也是有所提升，传统锂电池的安全问题往往是由过充及充电电流过大时，导致负极析锂产生锂枝晶刺穿隔膜，引发电池内短路，从而出现安全问题。而锂枝晶导致的最大原因，就是石墨（其他锂电池负极材料为石墨）对锂的嵌入电位是0.1V～0.2V，非常接近锂的析出电位0V。但是对于钛酸锂来说，锂的嵌入电位为1.55V，远高于锂的析出电位，所以很难有锂枝晶的存在。 钛酸锂电池整体设计及能力进行综合评定，电池本身性能稳定，相关配置符合车辆运营要求，且重量相对传统镍铬电池较轻，但系统能力较强，当正线出现无电故障时，可就近行驶到下一站能力，降低正线运营影响，符合现代轨道交通需求。