基于锂离子电池技术的铁路冷藏车辆装备供电系统应用.pdf

第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.52023Oct.基于锂离子电池技术的铁路冷藏车辆装备供电系统应用陈嘉楠1,2,3，赵宇1,4，郭碧霄1,2,3，马明阳1,2,3，宋育洋1,2,3（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；3 高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心，北京 100081；4 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京 100081）摘 要 随着锂离子电池技术的不断发展，该技术在轨道交通领域成为了研究热点并且已经有了一定的应用。为提升我国铁路冷链运输装备的技术水平，提出了基于锂离子电池技术的新型铁路冷藏集装箱供电方案，研究了锂离子电池系统架构，通过对样机不同工况下的运行跟踪，分析了电池系统运行数据，为锂离子电池技术在铁路冷藏车辆装备上的应用提供了参考方案。关键词 铁路冷藏集装箱；磷酸铁锂；锂离子电池系统中图分类号：U272.5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.07随着我国轨道交通的快速发展和新能源技术的日渐成熟，传统铁路冷链运输装备技术薄弱、使用维护成本高、环境污染严重等问题愈发突出，传统铁路冷链运输装备能源集中配置的技术特点与未来冷链运输灵活化、小型化和标准化的运输组织需求产生矛盾1-2。目前装有柴油发电机的冷藏集装箱已经得到大量使用，但是柴油发电型冷藏集装箱具有高污染、噪音大、高原地区效率低、部分地区油料运输和储存困难等问题，限制了柴油发电型冷藏集装箱的使用。铁 路 冷 藏 车 辆 在 线 路 运 行 时 无 外 部 能 量 输入，供电系统需要具备储能功能，且能够满足铁路冷 链 物 流 运 输 需 求，适 应 铁 路 运 输 的 恶 劣 环 境。随着锂离子电池技术日趋成熟，锂离子电池已在国内铁路机车车辆上得到一定程度的应用，为铁路机车车辆的牵引系统和辅助系统提供能量。锂离子电池系统具有大容量、轻量化、小型化和充放电倍率大等优点，又具有绿色环保、使用维护方便的 优 点3-4，可 以 减 少 对 地 面 基 础 设 施 建 设 的依赖。1 锂离子电池系统技术需求分析 分析国内铁路冷链线路的车辆周转时间、装卸和集疏时间，锂离子电池系统的储能能力需要满足铁路冷藏集装箱连续保温 120 h 的电能需求。通 过 对 冷 藏 集 装 箱 保 温 性 能 分 析 和 地 面 试 验 验证，锂离子电池系统额定容量应不少于 280 kWh。铁路冷藏集装箱的充电时间和充电方式对集装箱的运用有明显影响，通过对集装箱运用需求调研，额定充电功率下充电时间应不超过 2 h。由于锂离子电池系统在国内铁路货运中应用尚未普及，铁路冷链物流场站尚未大量建设相关基础设施，充电方式应兼容直流充电和 3 AC 380 V 交流2 种充电制式。铁路冷藏集装箱使用变频制冷机组调节集装箱货舱内的温度，为货物提供适宜的存储温度，制冷机组当箱内的温度高于设定温度时工作在制冷工况，当箱内温度达到停机温度时停止制冷。文章编号：1008-7842（2023）05-0044-06引用格式：陈嘉楠,赵 宇,郭碧霄,等.基于锂离子电池技术的铁路冷藏车辆装备供电系统应用J.铁道机车车辆,2023,43(5):44-49.基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目（2019YJ002）第一作者：陈嘉楠（1992-）男，助理研究员（修回日期：2021-12-06）通信作者：宋育洋（1996-）女，助理研究员第 5 期基于锂离子电池技术的铁路冷藏车辆装备供电系统应用铁路冷藏集装箱使用环境温度范围为-4050。锂离子电池系统应能够在此温度范围内充放电。2 锂离子电池系统配置 铁路冷藏集装箱锂离子电池系统包括锂离子电池包、高压元器件、电池管理单元、箱体结构和高低压连接等，如图 1 所示。针对铁路冷藏集装箱的运用和技术特点，提出锂离子电池系统配置参数见表 1。锂 离 子 电 池 系 统 随 着 充 放 电 循 环 次 数 的 增加，在使用寿命内电池系统容量最大衰减为 10%。锂离子电池系统额定容量 311.04 kWh，能够在系统使用寿命内满足容量需求。锂离子电池系统能够兼容直流充电桩和 3 AC 380 V 交流 2 种充电方式。当直流充电桩接入铁路冷藏集装箱充电插口时，锂离子电池系统的主回路与充电桩功率线连接，系统的充电 CAN 总线与充电桩通信线连接，锂离子电池系统根据自身状态控制充电。当使用 3 AC 380 V 交流充电时，锂离子电池系统经过整流模块与电源连接，整流模块将 3 AC 380 V 交流转换成直流电压，为锂离子电池系统充电。锂离子电池系统主回路的设计参数、器件选型和载流能力，满足 2 h 系统荷电状态从 0 充电至 100%的需求。由于锂离子电池系统负载工作电流远小于最大持续充电电流，最大持续充放电电流 270 A 能够满足充电和放电工况需求。由于环境温度低于-20 时，磷酸铁锂电池材料性能明显下降，锂晶枝的析出导致电池安全防护失效的风险变大。为满足-4050 工作温度的要求，在锂离子电池系统中加入热管理系统，使 锂 离 子 电 池 单 体 温 度 维 持 适 宜 的 工 作 温 度范围。2.1锂离子电池包铁路冷藏集装箱锂离子电池包由一定数量的锂离子电池单体串、并联，装入传感器、热管理装置和其他电路组成。锂离子电池单体是系统中的最小储能单元，单体的开路电压仅由正极、负极和电解液材料特性以及温度等条件决定。锂离子电池包采集单体电压、锂离子电池包电压、电流和温度等参数，发送到电池管理单元。2.2电池管理单元铁路冷藏集装箱电池管理单元是确保锂离子电池系统高效安全运行的子系统，其功能包括：电池系统状态监测、状态分析、控制功能、能量管理、安全保护、对外通讯和信息管理。电池管理单元根据锂离子电池系统的结构和电气布局特点，可分为二级结构。一级电池管理单元具有电池系统状态监测和部分能量管理功能；二级电池管理单元具有电池状态分析、控制功能、部分能量管理、安全保护和信息管理功能。电池管理单元采用分布式架构，即一级电池管理单元与被监测的单元集成在同一个封闭箱体内，通过通信线缆与二级电池管理单元连接；二级电池管理单元单独封装成 箱 或 集 成 在 锂 离 子 电 池 系 统 的 其 他 子 系 统 箱体中。图 1锂离子电池系统组成表 1锂离子电池系统配置参数序号1234567891011项目单体类型单体规格系统规格电池系统配置方式额定电压/V总能量/（kWh）工作电压范围/V最大持续充放电电流/A工作温度/防护等级使用寿命参数磷酸铁锂3.2 V 135 Ah576 V 540 Ah4 并 180 串576311.04486657270-4050IP678 年45铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 2.3控制策略铁路冷藏集装箱锂离子电池系统的控制策略是系统可靠、安全允许的重要保障，系统控制策略如图 2 所示，控制策略具体包括以下 4 部分：（1）充电上下电策略：电池系统检测到充电枪连接，并接收到充电信号后，闭合充电接触器开始充电，同时监控充电电流和电压，并对系统荷电状态进行计算；当系统荷电状态为 100%或检测到充电枪拔出后，系统断开充电接触器结束充电。（2）放电上下电策略：电池系统接收到集装箱的放电指令后，首先向制冷机组进行预充电，然后闭合放电接触器开始放电，持续监控放电电压和电流，并将放电状态反馈至集装箱控制器；当检测到电池系统故障、荷电状态过低或收到放电停止指令时，电池系统断开放电接触器结束放电。（3）诊断保护策略：电池管理单元对电池单体的电压和温度以及系统的电压、电流、温度和绝缘等状态实时监控，如检测到状态异常，根据异常严重程度对系统进行限流或停机保护。（4）热管理策略：电池管理单元通过控制电池包 内 的 热 管 理 装 置，调 节 锂 离 子 电 池 包 的 温 度。当环境温度低于磷酸铁锂电池材料适宜的工作温度范围时，通过消耗系统中存储的能量，或通过充电桩供电，加热锂离子电池系统。3 锂离子电池系统试验验证 锂离子电池系统装入铁路冷藏集装箱，开展地面综合试验，验证冷藏集装箱和锂离子电池系统在北方冬季环境下的各项性能。然后，集装箱在上海和成都间开展试运行试验，验证冷藏集装箱和锂离子电池系统在实际工况下的性能。3.1锂离子电池系统低温性能验证以铁路冷藏集装箱于某年 1 月 5 日某年 1 月24 日完成的 1 次充电和续航试验为例，试验期间平均 气 温-2.2 ，最 低 温 度-19.1 ，最 高 温 度13.6，试验模拟装载冷冻货物运输的工况，手动设定集装箱内部温度为-15。集装箱控制器自动闭环控制箱内温度，锂离子电池系统为冷却机组提供电能。试验过程中的环境温度、锂离子电图 2系统控制策略46第 5 期基于锂离子电池技术的铁路冷藏车辆装备供电系统应用池系统内部温度、冷藏集装箱电池仓内温度、电池系统的充放电电流、剩余电量曲线分别如图 3、图 4所示。图中，1 月 5 日 830 左右，电池系统启动热管理系统，然后进行充电。电池系统充电至 1615左右时，电池系统的剩余电量为 100%，充电过程完成。1 月 12 日1 月 24 日，冷藏集装箱的制冷机组运行，锂离子电池系统为集装箱的全部负载供电。期间随昼夜交替环境温度周期性升降变化，当锂离子电池系统需要进行充放电时，检测到环境温度过低，启动热管理系统，提高锂离子电池单体的温度，锂离子电池系统内部温度稳定且维持在适宜范围。截止至 1 月 24 日 12 点，冷藏集装箱持 续 制 冷 运 行 288 h，锂 离 子 电 池 系 统 剩 余 电 量25.5%，续航时间满足技术指标。3.2锂离子电池系统实际工况下性能验证以铁路冷藏集装箱于某年 7 月 15 日某年 7月 21 日完成的 1 次试运考核为例，运行数据如图5、图 6 所示。本次考核过程中平均气温 31.1，最低温度 23，最高温度 41.5，集装箱试验过程中装载冷冻货物，手动设定箱内温度为-15。集装箱初始剩余电量 97.6%，7 月 15 日在上海完成货物装载后，1420 起由锂离子电池系统为集装箱制冷机组供电。集装箱于 7 月 20 日到达成都，于 21日 215 关闭集装箱的制冷机组，锂离子电池系统停止供电，剩余电量 7.2%，本次考核铁路冷藏集装箱持续运行 132 h，满足续航时间的技术指标。图 3低温性能试验电池温度数据图 4低温性能试验电池电性能数据47铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 4 结论 文中介绍了一种适用于铁路冷藏集装箱的锂离 子 电 池 供 电 系 统。电 池 单 体 材 料 采 用 磷 酸 铁锂，满足铁路安全性要求条件下，相比铅蓄和镍镉等电池具有较高的体积和质量能量密度；锂离子电池系统针对铁路冷藏集装箱的运用工况，将系统额定容量设计高于容量需求的 10%，能够在系统使用寿命内满足容量需求；锂离子电池系统具备直流充电桩和 3 AC 380 V 交流 2 种充电方式，直流充电方式条件下系统满足 2 h 荷电状态从 0 充电至 100%的条件，3 AC 380 V 交流充电方式能够适应国内主要铁路冷链物流场站的基础设施条件；锂离子电池系统中集成了热管理系统，能够满足-4050 使用温度的要求。锂离子电池系统装入铁路冷藏集装箱，开展了地面综合试验和运行试验，分别在北方冬季和南方夏季环境下，对锂离子电池系统的性能进行验证，并开展试验数据跟踪。试验证明该锂离子电池系统能够满足铁路冷藏集装箱供电系统的技术需求。锂离子电池技术在铁路冷藏车辆装备供电系统中具有较好的应用前景。参考文献1 金晓平，景传峰，何远新，等.铁路冷链运输装备发展研究与思考J.铁道车辆，2020，58（8）：9-12，5.2 刘启钢，纪若婷，宫薇薇，等.铁路冷藏运输载运装备选型策略研究J.铁道货运，2018，36（8）：26-31.3 刘旭燕，李旭阳，瞿诗文.磷酸铁锂正极材料的研究现状J.有色金属材料与工程，2021，42（3）：41-47.4 陈维荣，黄锐森，陈 隆，等.电动汽车电池技术发展综述J.电源学报，2018，16（6）：166-178.图 5实际工况下电池温度数据图 6实际工况下电池电性能数据48第 5 期基于锂离子电池技术的铁路冷藏车辆装备供电系统应用Application of Power Supply System for Railway Refrigerated Vehicle Based on lithium Ion Battery TechnologyCHEN Jianan1，2，3，ZHAO Yu1，4，GUO Bixiao1，2，3，MA Mingyang1，2，3，SONG Yuyang1，2，3（1 Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China；2 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Co.,Ltd.,Beijing 100094,China；3 National Engineering Research Center of System Technology for High-speed Railway and Urban Rail Transit,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China；4 State Key Laboratory of Traction and Control for EMU and Locomotives,Beijing 100081,China）Abstract：With the development of lithium-ion battery technology,this technology has become a research hotspot and has been applied in the field of rail transit.In order to improve the technical level of railway cold chain transportation equipment,a new railway refrigerated container power supply system based on lithium-ion battery technology is proposed,the lithium-ion battery system architecture is studied,and the operation data of the battery system is analyzed through the operation tracking of the prototype under different working conditions,which provides a reference scheme for the application of lithium-ion battery technology in railway refrigerated vehicle equipment.Key words：railway refrigerated containers；lithium iron phosphate；lithium ion battery system49