城市轨道交通车辆蓄电池选型研究

城市轨道交通车辆蓄电池选型研究

廖文彬

（身份证440221198707295211，广东 深圳 518040）

摘  要：城市轨道交通车辆蓄电池主要作用是保证在没有外部电压供电的情况下能够激活列车，并为紧急负载设备提供一定时间的稳定的直流电压，本文探讨了如何根据车辆负载功率来计算和设计蓄电池的容量，以及选择蓄电池的类型。

关键词：蓄电池；负载功率；容量计算

0 引言

城市轨道交通车辆在正常工况启动时，通常采用蓄电池启动，车辆启动开关打到激活位时，蓄电池向全车低压直流负载供电，从而满足控制车辆高压设备的条件。在车辆发生紧急状况而断开高压输入时，蓄电池需满足规定时间内的应急照明、紧急通风、车载安全设备、广播通信等设备保持运行，以保证乘客安全逃生。因此，对蓄电池的类型、容量、电压进行有效分析，做好蓄电池组的选型，显得十分必要。

1 蓄电池容量计算规则

1.1蓄电池的选型一般遵从以下步骤：

（1）计算正常情况下各车厢直流负载的总功率；

（2）计算紧急负载情况下各车厢直流负载的总功率；

（3）选取符合要求的蓄电池种类，并依照当地的气候条件和项目要求确定所选蓄电池的温度补偿系数、老化效率、充电效率和大电流放电系数；

（4）计算所选蓄电池的实际所需容量，确保在其使用寿命终止时能够满足项目要求。

1.2车辆负载功率

城市轨道交通车辆电气负载主要有15个系统，包括车载信号系统、车载无线通信系统、车辆控制回路、列车监控系统、牵引系统、制动系统、高压主电路系统、低压辅助系统、车门系统、空调系统、照明系统、车载乘客信息及视频监视系统、烟火报警系统、部件健康管理系统和其他附属系统。各系统部件根据工作条件分为有高压输入条件下的正常负载和没有高压输入下的紧急负载。假定整列车没有高压输入时，蓄电池在整个使用寿命周期内必须满足相关标准规定的提供紧急负载供电持续一定时间t，如车辆类型为地铁或轻轨系统则为45分钟，车辆类型为胶轮式导轨系统则为30分钟，在该时间内蓄电池的端电压应大于蓄电池单体的保护电压。在此持续时间内，包含的紧急负载一般包括但不限于：全部紧急照明、全部客室内外部的指示灯、全部头灯和标志灯、司机室照明、客室和司机室的紧急通风、左右开关门至少各一次、所有与安全有关的控制系统、车载乘客信息及车载视频监视系统、列车无线通信设备等。并且在高压恢复时，蓄电池能保证逆变器的启动以及应急电动升弓一次（如有）。

紧急负载根据工作状态主要分为一直工作、间歇工作、不工作3种类型，由于部分负载并不是持续工作，而是间歇性工作，因此需要根据其工作频率来确定其功率，P紧急负载=，其中f为工作频率，取值范围[0，1]。另外，需要根据车辆系统配置的自动感应设备来考虑紧急负载功率，如配置了照度自动感应调节的照明系统、配置了雨量自动感应的雨刮器；同时考虑季节气温对蓄电池的影响，如冬季温度降低是蓄电池容量将会减少。因此，计算紧急负载时要综合考虑确定最严酷工况。

2 蓄电池选型分析

目前在铁路机车、客车上普遍使用的蓄电池有2种：一种是阀控式密封铅酸蓄电池，一种是少维护镉镍碱性蓄电池。它们都具有使用寿命长、少维护、不漏液、终身无需换液等优点，但其整体性能有所不同，如表1所示。

2.1体积和质量比较

铅酸蓄电池单体电压为2V，镉镍碱性蓄电池单体电压为1.2V。相同电压条件下，选用酸性蓄电池比碱性蓄电池的数量要少，整体体积相对较小、质量略大，而碱性蓄电池所占体积较大，质量略小。

2.2性能比较

镉镍碱性蓄电池具有优良的电性能，尤其在低温时具有良好的性能，寿命长，结构坚固，耐过充过放，可靠性高。铅酸蓄电池维护方便，但使用寿命相对较短，过充或过放容易损坏，但其采用密封式、胶体电解质，在电解质泄露安全性、防爆性能相对较优。

2.3成本比较

由于镉镍碱性蓄电池相比铅酸蓄电池，性能较好，因此相应的采购成本较高；在维修方面，镉镍碱性蓄电池需要定期添加蒸馏水，人工成本和材料费用相对较高；铅酸蓄电池可回收利用，废旧回收可产生经济价值。但镉镍碱性蓄电池使用寿命比铅酸电池长，从全寿命周期成本来看，镍镉碱性电池成本与铅酸蓄电池相当。

表1.铅酸蓄电池与镉镍碱性蓄电池对比

在实际应用中，应综合考虑电性能、使用环境、使用寿命、体积质量以及成本因素后，合理选择城轨车辆蓄电池的类型。

3 计算并确定蓄电池容量

3.1计算蓄电池容量

不同制式的城市轨道交通车辆，其紧急负载的工作电压也可能会不一样，主要有110VDC和24VDC两种。假设蓄电池标称电压为U标称，截止电压为U截止，紧急负载情况下完全由蓄电池供电，蓄电池放电电压取平均值U放电=（U标称+U截止）/2。蓄电池放电电流I=P紧急负载/U放电，根据行业相关标准和法规要求，紧急负载需满足t的供电时长要求，因此蓄电池所需容量为C1=I*t。计算结果仅为理论容量，实际使用时还需考虑环境温度、充电效率、老化等因素的影响。

3.2确定温度补偿系数K1

温度补偿系数是指在当地最低温度所能释放出的容量与25℃时额定容量的比值。如图1 所示，应根据车辆最低使用环境温度确定K1取值。

图1. 放电容量与环境温度关系曲线

3.3确定充电效率 K2

充电电压决定着蓄电池的充电效率。根据行业要求，蓄电池在满容量 80%的条件下，能满足紧急负载供电持续时间，因此一般充电效率 K2=0.8。

3.4老化系数 K3

在蓄电池的寿命期内，蓄电池的性能会因为蓄电池电极活性物质的老化而降低，老化系数指蓄电池在使用寿命终止时所剩余的容量与额定容量的比值。蓄电池寿命终止时所剩余的容量一般为额定容量的80%，因此老化系数 K3=0.8。

3.5大电流放电系数 K4

考虑蓄电池放电电流增大时，容量会减少，一般取 K4=0.9。

3.6蓄电池容量选型

综上所述，蓄电池容量 C=Cl/（K1×K2×K3×K4）。因此，可根据蓄电池容量并考虑15%-20%容量冗余，选用合适数量和容量的铅酸蓄电池串联组成工作电压的蓄电池组，以满足车辆供电需求。

4 结束语

随着城市轨道交通的发展，车辆采购使用的蓄电池体量也十分巨大，如何合理选用蓄电池显得十分重要。镍镉碱性蓄电池在北京、上海、广州、深圳、杭州等国内各大城市轨道交通车辆均有应用，铅酸蓄电池使用相对较少，据不完全统计，镍镉碱性电池在地铁车辆市场占有率约60%左右，铅酸电池约40%左右。但从安全环保性能对比来看，铅酸电池有较大优势，也正因如此，国家相关政策法规提出要逐步淘汰含镉电池实现环境无害化处置，其中鼓励类替代品即包括铅酸蓄电池、高安全浮充式防火型磷酸铁锂电池。

参考文献：

[1]比亚迪机电设备有限公司.24V蓄电池容量计算报告,2020.

[2] 袁斌.城市轨道交通蓄电池设计与维护.交通世界,2016（35）：127-128.