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[摘 要]介绍了一种新型的蓄电池-锂离子蓄电池在高速综合检测列车上的应用。根据高速综合检测列车的供电要求，设计了一套带有电池管理系统的蓄电池系统。经过实际上线运行，证明设计的锂离子蓄电池完全符合运行要求而且性能稳定。
[关键词]动车组 锂离子蓄电池 电池管理系统
中图分类号：U270.38+1 TH133.33+4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0079-01
1、引言
蓄电池作为动车组上辅助电源的一部分，其稳定性和可靠性直接决定了动车组运行的安全性。当没有电网供电时，蓄电池不仅要为直流负载继续供电，而且还起到为重新升受电弓提供电源的作用。所以，蓄电池的状态对动车组的运行至关重要。目前铁路用电池以铅酸、镍镉电池为主，但是这两种电池不仅存在性能上的诸多缺点而且都含有剧毒物质，各种蓄电池的性能对比（如表1-1）。通过比较可以看出，近期发展起来的锂离子电池在工作电压、重量比能等各方面都存在明显优势。因此，高速综合检测列车打破常规，将锂离子电池引入动车组中作为后备电源，带来了铁路电池应用的新发展。
2、高速综合检测列车的供电要求
高速综合检测列车是以检测轨道、弓网参数为任务的特殊动车组，直流负载采用DC 110V电源供电。直流负载包括旅客信息系统、照明系统、给水卫生系统、门控系统和空调系统以及牵引制动控制系统等。正常情况下，充電机给所有直流负载供电并且给蓄电池充电，蓄电池工作在充电状态；当充电机停止工作时，改由蓄电池给负载供电，蓄电池工作在放电状态。
列车在不同工况下，工作的直流负载各不相同，对蓄电池的要求如下。在过分相时，要求蓄电池满足为所有负载供电不小于4分钟；在充电机故障时，要求蓄电池满足为一些重要负载供电不小于30分钟，为应急灯和广播供电不小于120分钟的要求。另外，在以上工况时，无论任何时刻都要求蓄电池可以能够重升受电弓。根据各车直流负载的功率及工作状态，设计电池的总容量为320Ah。由于要满足当一组蓄电池故障时，不影响直流负载的工作情况，所以整列车需要安装2组同样的蓄电池组。
因为高速综合检测列车的特殊性，经常在野外作业较长时间，所以必须要保证蓄电池的稳定性能，不允许由于过充过放而导致蓄电池损坏。
3、蓄电池系统的设计
3.1 蓄电池组的整体设计
蓄电池是一种依靠充、放电方式来给负载提供能量的电源设备，它的应用寿命周期与运行的可靠性主要取决于它的充放电特性。如果蓄电池长时间工作在过充过放状态下，将会严重的缩短其寿命。蓄电池组是由单体电芯串联而成，而单体电芯的生产和长期使用会存在不可避免的个体差异，而电池的可靠性保障是建立在单体电芯之上的。而以往铁路用的蓄电池基本都是采取整体式充电模式，如图3-1，充电机为蓄电池的整体电池组充电。这样的设计忽略了单体电芯的差异，长时间使用就会使单体电芯间差异不断增加，导致蓄电池组使用寿命减低，故障率增加。并且当其中某个单体损坏时，只能采取逐一排查的方式查找，给维护检修带来很大麻烦。
为了避免对蓄电池过充过放和单体损坏，本文针对高速综合检测列车的具体技术需要，设计了带电池管理系统的蓄电池组，如图3-2，此种设计方案的优点就是实时监控每个单体电池的电压，根据采集的单体电压参数来控制充放电状态。电池管理系统通过基于单体电芯的智能管理，有效提高电池组的整体性能，并能延长电池的使用寿命，为及时发现问题单体带来方便，是对电池组的一种保护和性能提升。
3.2 电池管理系统
高速综合检测列车选用的单体电池额定电压为3.2V，其充放电曲线如图3-3、图3-4。根据充放电曲线设计了电池管理系统的参数。电池管理系统主要包括两部分，一部分是电池过充过放保护，如图3-5。首先对各单体采集电压值，然后与设定的电压值进行比较，任何单体充电电压高于3.9V，就切断充电回路。过充信号合成模块的作用是当单体电压低于过充保护恢复值3.8 V，就可接通充电回路继续充电。过放管理原理同理，过放保护值设定为2.5V，过放保护恢复值设定为2.9V。第二部分是电池均衡，如图3-6。每隔5分钟在线对串联的各节单体电压进行精确采样，控制模块根据采集的数据判断电芯的荷电状态。只要有单体电压高于3.65V，就开始对此节电池进行均衡，通过放电的方式减小各单体之间的电压差。另外，电池管理系统还设计了显示屏和报警系统，将所有单体电池的电压实时显示，当有故障时向列车报警。
4、结论
高速综合检测列车已经在线运行一年多，检测线路20多万公里，运用的锂离子蓄电池运行性能稳定，故障率低。证明所设计的锂离子蓄电池组完全满足技术要求。锂离子蓄电池系统设计及应用虽然在高速检测列车条件下进行，但由于高速检测列车与普通列车蓄电池系统的相似性，所以本文设计的锂离子蓄电池系统对普通列车具有良好的借鉴意义。
参考文献
[1] 聂山人.电池充放电监控管理软件研究与设计.硕士学位论文，2010，6.
[2] 陈雷，李来水.锂离子蓄电池充电的数字比例积分调节算法.电源技术，2002，4.
[3] 周志敏，周纪海等.阀控式密封铅酸蓄电池实用技术.北京.中国电力出版社.2004，10
[4] 孟凡刚.客车运用中免维护蓄电池浮充电压及其温度补偿解决方案探讨.铁道车辆
[关键词]动车组 锂离子蓄电池 电池管理系统
中图分类号：U270.38+1 TH133.33+4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0079-01
1、引言
蓄电池作为动车组上辅助电源的一部分，其稳定性和可靠性直接决定了动车组运行的安全性。当没有电网供电时，蓄电池不仅要为直流负载继续供电，而且还起到为重新升受电弓提供电源的作用。所以，蓄电池的状态对动车组的运行至关重要。目前铁路用电池以铅酸、镍镉电池为主，但是这两种电池不仅存在性能上的诸多缺点而且都含有剧毒物质，各种蓄电池的性能对比（如表1-1）。通过比较可以看出，近期发展起来的锂离子电池在工作电压、重量比能等各方面都存在明显优势。因此，高速综合检测列车打破常规，将锂离子电池引入动车组中作为后备电源，带来了铁路电池应用的新发展。
2、高速综合检测列车的供电要求
高速综合检测列车是以检测轨道、弓网参数为任务的特殊动车组，直流负载采用DC 110V电源供电。直流负载包括旅客信息系统、照明系统、给水卫生系统、门控系统和空调系统以及牵引制动控制系统等。正常情况下，充電机给所有直流负载供电并且给蓄电池充电，蓄电池工作在充电状态；当充电机停止工作时，改由蓄电池给负载供电，蓄电池工作在放电状态。
列车在不同工况下，工作的直流负载各不相同，对蓄电池的要求如下。在过分相时，要求蓄电池满足为所有负载供电不小于4分钟；在充电机故障时，要求蓄电池满足为一些重要负载供电不小于30分钟，为应急灯和广播供电不小于120分钟的要求。另外，在以上工况时，无论任何时刻都要求蓄电池可以能够重升受电弓。根据各车直流负载的功率及工作状态，设计电池的总容量为320Ah。由于要满足当一组蓄电池故障时，不影响直流负载的工作情况，所以整列车需要安装2组同样的蓄电池组。
因为高速综合检测列车的特殊性，经常在野外作业较长时间，所以必须要保证蓄电池的稳定性能，不允许由于过充过放而导致蓄电池损坏。
3、蓄电池系统的设计
3.1 蓄电池组的整体设计
蓄电池是一种依靠充、放电方式来给负载提供能量的电源设备，它的应用寿命周期与运行的可靠性主要取决于它的充放电特性。如果蓄电池长时间工作在过充过放状态下，将会严重的缩短其寿命。蓄电池组是由单体电芯串联而成，而单体电芯的生产和长期使用会存在不可避免的个体差异，而电池的可靠性保障是建立在单体电芯之上的。而以往铁路用的蓄电池基本都是采取整体式充电模式，如图3-1，充电机为蓄电池的整体电池组充电。这样的设计忽略了单体电芯的差异，长时间使用就会使单体电芯间差异不断增加，导致蓄电池组使用寿命减低，故障率增加。并且当其中某个单体损坏时，只能采取逐一排查的方式查找，给维护检修带来很大麻烦。
为了避免对蓄电池过充过放和单体损坏，本文针对高速综合检测列车的具体技术需要，设计了带电池管理系统的蓄电池组，如图3-2，此种设计方案的优点就是实时监控每个单体电池的电压，根据采集的单体电压参数来控制充放电状态。电池管理系统通过基于单体电芯的智能管理，有效提高电池组的整体性能，并能延长电池的使用寿命，为及时发现问题单体带来方便，是对电池组的一种保护和性能提升。
3.2 电池管理系统
高速综合检测列车选用的单体电池额定电压为3.2V，其充放电曲线如图3-3、图3-4。根据充放电曲线设计了电池管理系统的参数。电池管理系统主要包括两部分，一部分是电池过充过放保护，如图3-5。首先对各单体采集电压值，然后与设定的电压值进行比较，任何单体充电电压高于3.9V，就切断充电回路。过充信号合成模块的作用是当单体电压低于过充保护恢复值3.8 V，就可接通充电回路继续充电。过放管理原理同理，过放保护值设定为2.5V，过放保护恢复值设定为2.9V。第二部分是电池均衡，如图3-6。每隔5分钟在线对串联的各节单体电压进行精确采样，控制模块根据采集的数据判断电芯的荷电状态。只要有单体电压高于3.65V，就开始对此节电池进行均衡，通过放电的方式减小各单体之间的电压差。另外，电池管理系统还设计了显示屏和报警系统，将所有单体电池的电压实时显示，当有故障时向列车报警。
4、结论
高速综合检测列车已经在线运行一年多，检测线路20多万公里，运用的锂离子蓄电池运行性能稳定，故障率低。证明所设计的锂离子蓄电池组完全满足技术要求。锂离子蓄电池系统设计及应用虽然在高速检测列车条件下进行，但由于高速检测列车与普通列车蓄电池系统的相似性，所以本文设计的锂离子蓄电池系统对普通列车具有良好的借鉴意义。
参考文献
[1] 聂山人.电池充放电监控管理软件研究与设计.硕士学位论文，2010，6.
[2] 陈雷，李来水.锂离子蓄电池充电的数字比例积分调节算法.电源技术，2002，4.
[3] 周志敏，周纪海等.阀控式密封铅酸蓄电池实用技术.北京.中国电力出版社.2004，10
[4] 孟凡刚.客车运用中免维护蓄电池浮充电压及其温度补偿解决方案探讨.铁道车辆