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1、- 64 -产品应用CHINESE RAILWAYS 2011/12动车组钛酸锂电池管理系统 王占国 等国高速铁路的建设和发展为国民经济发展提供了安全可靠、高速度、大容量的运力保障，是进一步缓解铁路运力紧张、提高运输服务质量和打造运输服务品牌的重要举措。高速铁路是交通运输体系中最具可持续性和环境友好性的运输模式。随着速度的提升，轮轨动作用力加剧，激振频宽增大，运动稳定性裕度减小。高速列车车体的轻量化水平不仅直接决定了高速列车运行的安全性、平稳性、舒适性、能耗和对环境产生的噪声影响，也是高速列车能否实现速度提升的关键影响要素，其中辅助电池系统轻量化是动车组轻量化设计的重要组成部分。1 动车组辅助
2、系统供电蓄电池发展现状动车组辅助蓄电池的主要功能是车辆在接触网电压缺失或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：（1）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；（2）温度适应性广，能够在4060的环境温度下稳定工作；（3）寿命长，降低电池更换工作量和运营成本；（4）安全性好，有效保障车辆运行安全；（5）功率特性好，满足动车组大电流充放电需要；（6）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。现有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
3、大类：铅酸电池和碱性镍镉电池。一直以来，铅酸电池以其工艺成熟、性能稳定及售价低廉等优点得到广泛应动车组钛酸锂电池管理系统摘 要：在对动车组辅助电池系统轻量化设计需求分析的基础上，对现有蓄电池基本性能进行比较，设计一款动车组用钛酸锂电池管理系统，在具备电池系统状态监控功能的基础上，通过与充电系统间的数据交换，实时控制充电过程，保证电池使用的安全性和可靠性。系统还将电池的绝缘检测、电池的均衡性评价体系和充放电次数纳入管理系统，对电池系统实现全方位的监控和管理。关键词：动车组；钛酸锂电池；管理系统王占国：北京交通大学电气工程学院，工程师，北京，100044龚敏明：北京交通大学电气工程学院，高级工程师
4、，北京，100044我- 65 -产品应用CHINESE RAILWAYS 2011/12动车组钛酸锂电池管理系统 王占国 等用，但由于其重量和体积大、充电时间长及寿命短，使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、耐过充过放能力强、维护简单，在动车组上得到广泛应用，但由于记忆效应、能量密度较低，含重金属存在环境污染等因素限制了镍镉电池的持续发展。锂离子电池是20世纪90年代发展起来的先进蓄电池，是理想的动力源。最初的锂离子电池以钴酸锂为主，在能量密度、功率密度、电压平台、寿命等方面都表现出明显优势，在便携式设备上得到快速的推广应用。但由于电池的安全性
5、和寿命较差，不合理使用会导致电池容量快速下降，滥用可能导致电池出现冒烟、着火甚至爆炸等隐患，在中大型动力电池方面的应用一直受到制约。研究人员进行了持续研究，通过改进电池的正极材料，先后推出锰酸锂、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进步，并在电动汽车等领域得到推广应用。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，特别是嵌入能力下降1-4，因此低温下充电比放电更难，影响电池的充放电电流。当充电电流过大，锂离子从正极脱出的速度大于负极嵌入速度时，不能嵌入的锂以原子态形式沉积在电池表面，导致电池出现安全隐患。为了解决这一问题，研究人员对锂离子电池的负极
6、材料进行深入研究，并推出了以钛酸锂为负极的锂离子电池钛酸锂电池。该电池在电池能量密度略有下降的情况下，电池的温度适应性、电池寿命、安全性等性能都有大幅提升。几种锂离子电池的性能比较如表1所示5-6。考虑到动车组将蓄电池的低温性能、使用寿命、安全性、能量密度作为主要要求指标，钛酸锂离子电池成为当今最适宜在动车组上使用的动力源之一。2 钛酸锂电池管理系统电池管理系统是电池系统的重要组成部分，肩负着实时监控电池状态、有效利用电池能量、防止电池过充电和过放电及延长电池使用寿命等重要职责。为了实现上述功能，设计了图1所示的动车组用钛酸锂电池管理系统。动车组用钛酸锂电池管理系统主要功能包括以下几个方面：（
7、1）检测功能。电池管理系统具备单体电池电压检测、温度检测、电流检测及电池组总电压检测等功能，可实现电池电和热参数的综合监控。（2）状态估算功能。电池管理系统依据检测得到电池电和热等性能参数，对电池的荷电状态（State of Charge，SOC）、最大允许充电电流进行估算。（3）故障诊断。电池管理系统根据故障的严重程度将故障分为3级：一般故障、中级故障和严重故障。主要包括的故障类型为：电池管理系统故障（包括检测系统故障、数据参数故障、通信故障等）、电池一致性故障、电池（单体）电压超高/低、电池温度超高、电池过流、电池SOC过低/高等。（4）电池一致性评价和均衡。基于电池的容量和SOC对电池的
8、一致性进行评价，并对需要均衡的电池实施充电和放电均衡。（5）对外通信。电池管理系统具备CAN和RS232通指标铅酸镍镉镍氢锰酸锂磷酸铁锂钛酸锂能量密度/ （Whkg-1）25406012011080充放电寿命/次3005008001 0001 5006 000自放电率/ （%月-1）52525555记忆效应无有无无无无环境污染污染严重污染无污染无污染无污染无污染安全性好好良中良良图1 钛酸锂电池管理系统构架表1 蓄电池组主要性能比较供电 电源 隔离电 源变换 外部设备 总电压检 测模块 电流检 测模块 温度检 测模块指示灯 /蜂鸣器 对外接口 隔离 隔离 隔离硬件 看门狗 隔离 电压检 测模块
9、MCU存储器 隔离 均衡 控制系统 时钟 接触器 控制 过充/放 电控制 隔离 热管理过充电保护 过放电保护- 66 -产品应用CHINESE RAILWAYS 2011/12动车组钛酸锂电池管理系统 王占国 等信接口，CAN通信接口用于与充电设备通信，将电池的总电压、电流、SOC、最大允许充电电流、故障等主要信息及电池的详细数据（包括单体电池的电压、温度、最高/低电压、最高温度及详细的电池故障类型等）发送至充电设备，通过和电池管理系统协调配合的充电模式，保证充电的安全性。（6）保护功能。为了保证电池的使用安全，电池管理系统设计了接触器控制接口，当电池出现过充电、过温、过压等严重故障时，电池管
10、理系统会将电池与充电或负载设备断开，实现物理隔离。3 动车组钛酸锂电池管理系统设计电池系统基本参数：（1）标称电压：110 V；（2）直流过压：140 V；（3）放电保护电压：80 V；（4）充电单体电压上限：2.65 V；（5）充电总电压上限：130 V；（6）欠压报警电压：90 V；（7）最大充电电流：80 A；（8）最大放电电流：160 A；（9）脉冲充电电流：160 A（30 s）；（10）脉冲放电电流：320 A（30 s）；（11）标称容量：80 Ah。根据电池系统的要求，电池配置如下：钛酸锂电池单体为2.2 V、11 Ah；采用先8并后50串的组合模式，电池组规格为110 V、8
11、8 Ah。电池组正端放置保险，防止电池外短路或不正当使用导致的电池过电流。电池组负端放置直流接触器，当电池组出现严重过压、欠压、过电流和过温故障时，控制直流接触器将该组电池切除，实现保护。电池故障消除后，首先闭合预充电继电器，当电阻上的电压降小于5 V（预充电至90%以上）后，主接触器闭合，预充电继电器断开，电池再次投入使用。电池管理系统拓扑如图2所示。电池管理系统和电池组同放到一个电池箱中；电池组经隔离电源变换模块为电池管理系统提供控制电源；隔离电源变换模块前端放置手动开关（或司机面板开关）和保险，可关闭和开启电池管理系统，且能在电池管理系统侧短路时断开与电池组的连接。参考文献1 Ramad
12、ass PremanandCapacity fade analysis of commercial Li-ion batteriesDColumbia：University of South Carolina，20032 S S Zhang，K Xu，T R JowCharge and discharge characteristics of a commercial liCoO2-based 18650 batteryJJournal of Power Sources，2006(160)： 1 403-1 4093 郑洪河锂离子电池电解质M北京：化学工业出版社，20074 肖利芬锂离子电池若干应用基础问题研究D武汉：武汉大学，20035 黄可龙，王兆翔，刘素琴锂离子电池原理与关键技术M北京：化学工业出版社，20086 郭炳焜，徐徽，王先友，等锂离子电池M长沙：中南大学出版社，2002责任编辑 高红义收稿日期 2011-11-11图2 电池管理系统拓扑结构电压采样正手动开关110V+110V-保险电池管理系 统供电电源隔离电 源变换保险对外通信电压正单体电压检测 温度检测 电流检测 总电压检测电 池 管 理 系 统冷却 风机88Ah 均衡控制 风机控制 接触器控制LED电压负电流采样负电流采样正电压采样负预充电 回路直流接触器电池箱蜂鸣器
