摘要：本文章介绍了天津地铁10号线车辆锂电池牵引功能，对电池选型、主电路设计、整车安全性设计、控制策略等方面进行了详细论述，为后续的应用研究提供了经验。
关健词：地铁车辆、锂电池牵引、钛酸锂
1、引言
地铁车辆是城市轨道交通系统设备的核心，也是整个地铁中最易收到外界环境和条件干扰的系统。限界、轨道、供电、信号等系统若出现问题，都会对行车造成影响。
目前在满足AW3载荷下，基于地铁全线路全天候的使用工况，在不大幅增加列车自重的情况下，实现自牵引功能，国内外地铁项目尚无实际应用案例。国内主流蓄电池牵引形式以碱性高倍率电池为动力，主要用于平直道运行及段场调车使用，由于碱性蓄电池能量密度比低，导致列车增重较大，大大降低其应用的可行性。
天津地铁在2号线、5号线、6号线锂电池牵引研究的基础上，验证通过列车蓄电池紧急牵引功能，在大坡道长距离超员载荷工况下实现车辆自身救援的可行性，并首次在地铁10号线中全线采用了钛酸锂电池牵引系统。
2、电池选型及参数
此次牵引蓄电池采用钛酸锂电池，相对于以石墨为负极材料的锂离子电池，钛酸锂电池的充电电位平台稍负于1.55V，即使在充电后期、低温或高倍率充电的情况下，此负极的电位也不会达到锂离子还原成金属锂的电位，安全性更高。
表1：地铁10号线牵引蓄电池参数
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2.控制方案
整车配备两组DC460V蓄电池，当列车需要应急牵引时，列车断开电网（高压1500V），将高压蓄电池投入列车母线，牵引逆变器利用蓄电池电压（额定DC460V）进行应急牵引。
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图1： 天津地铁10号线蓄电池牵引电路原理图
系统主要由2组电池组组成，每组蓄电池分别由1组BMS作为电池的核心控制管理单元进行管理：
接触器KM1、KM2：作为蓄电池的上电接触器；蓄电池上电时，首先BMS先控制闭合KM2接触器，然后闭合KM3接触器进行预充电，预充电完成后，控制闭合KM1接触器，断开KM3预充接触器。蓄电池下电时，首先断开KM2接触器，延时1S再断开KM1接触器。
熔断器FU1、FU2对整个电池系统进行过载和短路保护；电流传感器、电压传感器对蓄电池系统充放电电流和蓄电池总电压数据进行采样，系统闭环控制；控制接口：具备CAN/MVB通讯接口，可以实现与上位机的信息交换，通讯控制，
3.控制策略
（1）蓄电池正常上电：
车辆供110V控制电源（取自于110V辅助蓄电池）到蓄电池系统（蓄电池系统控制部分负载功率表详见下表）。电池管理系统（BMS）开始自检，BMS自检无故障，收到整车发送的“蓄电池允许启动”信号，闭合预充接触器KM3，检测压差小于23V，闭合总正接触器KM1和总负接触器KM2，断开预充接触器，并与整车通讯成功，此时电池系统上电完成。蓄电池可以做放电或充电做准备。
BMS检测到电池系统严重故障时，BMS断开KM1和KM2接触器避免电池发生损坏，避免故障蔓延。
（2）蓄电池正常牵引：
BMS正常上电完成，TCMS综合判断蓄电池是否具备牵引条件（蓄电池投入条件参考1.2.2章节），如具备牵引条件，那么整车发送“蓄电池牵引”信号至蓄电池，并且向牵引系统发送蓄电池牵引信号，牵引系统控制闭合蓄电池开关箱中的接触器，蓄电池开始为牵引变流器供电。同时BMS向整车实时发送最大允许放电电流和电压，整车根据电池状态，控制输出电压和电流。
（3）正常充电流程：
应急牵引结束后，或者蓄电池总电压≤DC510V时，BMS发送请求充电指令到TCMS,TCMS判断是否具备充电条件（网压正常、蓄电池充电机无故障、蓄电池牵引使能信号为0、蓄电池无故障、通讯正常），如果具备充电条件，那么整车发送“蓄电池允许启动信号”至牵引蓄电池，牵引蓄电池按照正常上电流程来动作。同时整车发送牵引蓄电池充电机启动命令，充电机收到启动命令后，按照BMS发送的最大充电电流和电压值进行恒流充电。电池充满后通过通讯发送“充电机停机指令”充电机停止电池侧的输出充电电流。TCMS判断蓄电池不需要充电也不需要放电，那么将“蓄电池允许启动信号”置0。BMS控制蓄电池内总正接触器和总负接触器断开。BMS保持运行，监测电池状态，并通过通讯实时发送蓄电池状态数据到整车网络。
（4）下电：整车将“蓄电池允许启动”信号置0，蓄电池内主接触器断开, 蓄电池完成下电；整车控制切断DC110V辅助电源，电池管理系统及蓄电池下电。
（5）电池管理系统
电池管理系统采用主从设计。BMS从板通过对各单体电池电压和温度信息进行采集，然后通过CAN通讯传输给电池管理系统主板，主板再进行分析判断从而对电池的温度和电压进行保护。电池管理系统通过CAN总线与整车通讯，对数据进行诊断和处理。控制充放电。BMS主板通过控制主回路的接触器，避免电池组过充、过放和过温，延长电池使用寿命、防止故障发生和蔓延。
（6）主动灭火装置
主动灭火装置能够有效探测到蓄电池系统的早起火灾并给予报警，同时实现对火灾的扑灭及持续抑制，降低电气火灾带来的危害。蓄电池系统发生火灾时，安装在蓄电池箱内的 BMS 电池管理系统通过温度信号以及烟雾传感器报警信号发现火灾，BMS 电池管理系统输出 110V 直流信号启动主动灭火驱动装置，驱动装置将灭火剂通过灭火管道经喷嘴输送到对应保护区域灭火。
4、结论
车辆是城市轨道交通系统设备的核心,也是整个地铁中最容易受到外界环境和条件干扰的系统。锂电池牵引功能在兼顾段场车辆自行专线，减少调车机和段场电化配置的成本的同时，大大提高了灾害情况下正线车辆的自救性能，值得进一步研究。
参考文献
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