动车组蓄电池技术与负载原理研究

动车组蓄电池技术与负载原理研究

王效宇

中国铁路沈阳局集团公司沈阳动车段  辽宁沈阳  110000

摘要：动车组中压供电系统的负载管理是高速动车组列车安全可靠运行不可缺少的组成部分。动车组中压供电系统的负载管理为动车组提供380V 3AC和110V DC电源。110V主要用于各控制系统，380V主要用于各制冷系统、供风系统、空调系统等。动车组中压供电系统的负载管理的结构设计对系统的稳定性和容错性起着决定性的作用。

关键词：动车组；供电系统；负载管理

一、引言

高速铁路是当今世界铁路发展的潮流。高速铁路以其速度高、运量大、准点率高、对环境污染小、占用土地少、安全、可靠等优势在世界各国得到了大力发展。动车组是我国近年来大力发展的主要铁路设备，要确保动车组安全稳定的运行，必须要有一个性能优良的辅助供电系统。辅助供电系统为列车上的许多设备供电，保障列车正常运行、旅客乘车的必要需求以及舒适度保障：例如，给列车上的空气压缩机提供电源的保障，给列车上的油泵/水泵电机提供电源的保障，给列车上的空调供暖系统提供电源的保障以及给列车上的照明系统等提供电源的保障，而蓄电池是辅助供电系统及其重要的组成部分。因此，开展高速动车组蓄电池研究具有十分重要的意义。

二、蓄电池的结构及特性

动车组用蓄电池为镍镉蓄电池，和其它镍镉蓄电池结构一样，其结构主要包括电解质溶液、正极材料和负极材料。其正极一般是由石墨和氢氧化亚镍混合在一起组成；负极则是由镉粉来组成；而电解质溶液则是根据温度的不同使用不同密度的氢氧化钾溶液。因镍镉蓄电池的容量比较小，所以为了提升其容量，常常在电解质溶液中加入氢氧化锂。

镍镉蓄电池是市面上常见的一种蓄电池，其正负极分别由镍镉材料制成，由镉制成负极，由氢氧化钾溶液作为电解质溶液。现在镍镉蓄电池的制作技术已经相当成熟，同时它安全性比较好，稳定性也比较高，在使用寿命方面相对于其他蓄电池要长。

三、镍镉蓄电池的优缺点

3.1镍镉蓄电池优点

镍镉蓄电池作为蓄电池的一种，外皮包装坚硬，从而可以很好地保护蓄电池的内部构造，防止外皮破漏造成其内部物质的泄露，提高了蓄电池的安全性。与其他蓄电池相比，它的循环次数较长，而且价格便宜。在对外放电时，它的电压随负载变化也比较小，从而可以很好地带负载。同时内阻较小也是其固有的特点，充电时间也较其他蓄电池短，因此是动车组蓄电池中的理想电源。

3.2镍镉蓄电池缺点：

如果其内部的金属镉材料废弃到土壤中将会对土壤造成很大的污染，同时相比较于其他蓄电池，其容量较小，因此一次放电的时间比较短。而且还有一个缺点是具有记忆效应，在每次充电之前要必须要先放电。

通过分析镍镉蓄电池的优缺点我们可以发现，其超高的性价比是应用于动车组中的重要原因，虽然它也有许多缺点，但是如果我们通过合理地设计蓄电池的能量管理系统就可以很好地规避这些缺点，从而使镍镉蓄电池更好地为动车组服务。

四、动车组中压供电系统工作原理

4.1 充电机工作原理

动车组的充电机分别分布在1辆和8辆车下。每节车厢由充电机1、充电机2和两个充电机组成。两个充电机并联输出，为蓄电池充电，并向板载直流负载供电。正极并联，负极直连，防止电流反向流动。单座蓄电池充电机供电容量30kW，整列列车容量60kW左右。因此，当一个或两个充电机故障时，不会影响功耗，无需降低负载。同时，为了保证蓄电池的可用性，设计了110V相关负载的分阶段退出，由中央控制单元控制。从视频娱乐、照明等次要功能开始，按重要级别逐步退出工作，以降低特殊工况下的蓄电池消耗，延长使用时间。

BC1、BC2的额定功率为30kW，BC1和BC2的原理相同。输3AC 380V经滤波电路进入PM电源模块(非受控整流桥)，变程约为500V DC，然后通过点电源模块(IGBT和整流电路)和高频变压器T1之外的模块(高频变压器主要传输高频电压信号从主要到次要隔离变压器实现电压的高和低电压)全波整流电路(由二极管D / D3组成)和LC滤波电路最终输出稳定的直流，供给车载直流负载。

4.2 蓄电池工作原理

动车组蓄电池分别分布在1车和8车以下。每节车厢包含1号蓄电池和号蓄电池，号蓄电池由两个蓄电池组成。蓄电池组由多个单体蓄电池串并联组成，并集成熔断器、断路器和火灾传感器进行保护。蓄电池管理系统与充电机进行通信，实时监控蓄电池电压、充电电流、温度等参数。设置110V外部电源插座，维护时提供110V电源。

每个车头车厢有两个充电机，分别对两组蓄电池进行充电，充电机按照具体的充电曲线进行充电。蓄电池向充电机发送参考电压，充电机通过输出电压传感器测量输出电压，即充电机测量到的蓄电池电压，并根据参考电压与输出电压的差值控制充电电流。大致分为恒流充电和恒压充电。计算蓄电池的SOC值，通过充电机传输到MVB网络，显示在HMI屏幕上。

4.3 充电机与蓄电池之间的通信

充电机与蓄电池之间通过RS485总线通信，充电机对通信状态进行监控，异常时向车辆报告故障信息。蓄电池通过RS485总线向充电机发送允许充电电压、允许充电电流等信息。充电机通过这个信号决定最大充电电压和最大充电电流。充电机通过RS485总线读取并存储蓄电池传输的信息，部分信息通过MVB网络发送给车辆。车辆可通过MVB网络获取蓄电池的相关状态和故障情况。

4.4 蓄电池闭合和断开控制电路

蓄电池可以闭合的前提条件是，司机室主控钥匙开位。将蓄电池开关旋钮32-S01旋至“开”位，整个列车充电机内部的KON继电器通电，其常开触点控制KK12、KBN1、KBN2得电吸合，同时通过K12常开触点自锁保持拉上状态，通过旋钮3-s01自复位使KON继电器断电。完成蓄电池闭合操作。KON常闭触点在蓄电池断电回路中串联，确保蓄电池闭合时无法启动断电功能。KBN1、KBN2常开触点并联后串入蓄电池断电电路中，使得仅在KBN1或KBN2接触器至少一个得电时才允许启动断电电路。K11继电器线圈A1与BD正极接通，A2经KT继电器常闭触点与负极接通。蓄电池可以关闭的前提条件是：司机室无火警或火警已被旁路、车速小于5km/h、全列方向开关在零位。

满足以上条件后，将蓄电池开关旋钮3-s01拨至"关"位，此时全车充电机中的koff继电器通电。koff常开触点闭合，使K13继电器通电并自锁。同时，KT时间继电器延时动作，KT时间继电器的常闭触点断开，K11继电器断电，K11的常开触点打开，KBN1\KBN2接触器驱动，及其主要接触断开连接完成蓄电池断电操作。

车辆设置有低电压保护电路，实时监测蓄电池电压，达到极限后，通过继电器控制蓄电池闭合回路，使蓄电池闭合。此时蓄电池的剩余电量仍然可以满足车辆启动。先关闭低压保护功能，再关闭蓄电池，需要注意的是蓄电池电量偏低，所以要尽快启动充电机。

结论

动车组中压供电系统的负载管理是动车组的重要系统之一。3380V 3AC和110V DC母线贯穿全列，其设计的可靠性在一定程度上决定了动车组的可用性。在现有方案中，从硬件到软件设计了多种容错机制，以提高动车组的整体可用性。

参考文献

[1]刘民.动车组辅助供电系统研究[D].西南交通大学,2016.

[2]张小叶,张奕奕.动力集中动车组供电系统设计可靠性提升分析与研究[J].交通科技与管理, 2021(5):3.