甘益明
南京汉瑞交通技术有限公司 江苏南京 211300
【摘要】随着我国在轨道交通技术领域坚持自主创新的不断发展，我国建设了世界规模最大、品类最全、技术领先的轨道交通网络。目前我国轨道交通领域电车的占比飞速增加。考虑到一些特殊情况对电网实时供电的影响，通过储能的方式去应对紧急情况成了重要的备用应急措施。增加安全稳定的储能设备来避免极端情况造成的隐患，将解决技术问题的所在。
列车备用能源供给是铁路列车安全系统中极为重要的一部分。目前使用最多的电池是铅酸电池、锂电池和镍镉电池。但是都或多或少的有着各自的一些缺点，限制了其在轨道交通领域的适用范围。无法满足复杂多变的自然环境及安全性的保障。
钠-氯化镍电池系统作为备用电源在轨道交通领域属于一种新兴的技术。电芯具有高转换率、极少自放电的优势，以及最为显著的安全性高，环境要求低的优势。使其完美的适用于列车运行的复杂环境。
【关键词】钠-氯化镍电池；发展现状；技术应用；关键技术
随着新能源的逐渐推广，业界在关注电池给行业带来的便捷的同时，越发的注重电池安全性及稳定性等优点。钠-氯化镍电池具有异于目前其他所有电池的工作原理，它的PACK结构也因为特殊的工作原理有着很大的特点。其独有的特性使其成为了当下行业内安全性最高，稳定性最好的电池系统之一。
钠-氯化镍电池系统独有的安全性及稳定性，使其可以在轨道交通这类对安全度要求极高的领域内被应用。
一、钠-氯化镍电芯的相关概述
钠-氯化镍电池选用金属钠作为电芯负极材料，固体电解质为β”-Al2O3陶瓷材料，钠-氯化镍电池选用镍和氯化镍作为正极材料，为了便于电池正极材料钠离子在充放电过程中的转移，选用NaAlCl4熔盐电解质加到电芯中，作为第二液体电解质。
钠-氯化镍电池反应式为：
2Na+NiCl2放电→←充电2NaCl+Ni
二、钠-氯化镍电池的安全性
钠-氯化镍电池在冲击、跌落、滚动等这类机械损伤测试，以及短路、过充电、过放电等这类电气损伤的测试中都轻易地通过了。钠-氯化镍电池内部的陶瓷介质相对容易受损，如若不慎陶瓷介质损坏，继而导致电芯正负极材料可以直接接触，电气短路。溶解Na与NaAlCl4经过化学反应，将溶解Na转化为NaCl，避免的Na剧烈的氧化反应。而且该反应过程产生的比能量是正常放电的比能量的82%，不足以造成热量失控，也不会导致后续的热积聚导致的起火、爆炸。由此可见，钠-氯化镍电池在任何情况下都不会对人身安全造成威胁。
钠-氯化镍电芯之间通过金属镍片焊接组成，电芯正极采用激光焊接，电芯负极采用水氧焊接。焊接完成的电池组被安装于金属外壳中，金属外壳材料为不锈钢材质，提供了足够的机械强度和密封性。
内箱被保温复合体所包围，该复合材料由多个厚度约1厘米的微孔硅石板组成，改保温包围体既给电池组提供了足够的绝缘水平，又可以极大限度地减少热量损失，即使电芯在265℃，不锈钢箱体外表面的温度不会高于室温15℃，保障的人员的安全。
三、备用供电用电池系统设计
备用供电电池系统选用两组电池，共88支钠-氯化镍电池。每个电池组由44支电芯串联而成。电池间通过钎焊/焊接连接器连接，所得到的电池组与4个加热元件和4个温度探头一起组装在不锈钢（内部）箱中。内部电加热器，以实现和保持内部工作温度为265℃。外部不锈钢电池箱内含有电池内箱和隔热屏障，并提供足够的机械强度和密封结构。电池管理系统（BMS）用螺栓安装在电池组的外金属盒中，BMS提供两个单独的电源/信号和Can-bus连接器。电池箱两侧设计有两个吊耳，此方式可将电池系统以悬挂的方式安装于列车车架底部。BMS具有与TMS整车通信能力，BMS连续测量所有电池参数如电压、电流、温度和绝缘等级，同时连续监测电池工作条件，监测数据都会通过CAN网络实时传递至列车车辆的控制中枢。
图1：电池外观结构示意图
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电池系统的总正极和总负极对应的并联至车辆供电网络中，当供电网络故障后，电池系统可以无缝衔接的投入使用，给车辆应急设施供电。车辆司机室设计有一个激活开关和一个断路快关，这两个开关通过信号线可以控制电池系统的工作状态。当接通直流电源，外部电池激活开关闭合，电池将会开始通电进入工作阶段；如果内部温度低于临界工作温度，电池控制器启动加温程序，在此期间禁止电池充电或放电。室温状态下启动，加温过程最长需要 13 个小时，此为电池系统预热过程。当电池温度达到265℃，BMS内部主继电器自动吸合，电池系统可以给车辆供电，也可以从车辆获取直流电源进行充电。列车车辆在维保阶段，关闭断路开关，电池将会关闭。
电池额定电压取决于串联电芯的数量，单支电芯为2.58V，总电压为44*2.58=113V。113V可视为标准电压120V，可以满足车辆上直流电器的使用。电池额定容量取决于模块中的并联数量，单体电压为40Ah，总容量为40*2=80Ah。每编组车辆的紧急设施的供电需求约为5000W。电池系统可以满足车辆在紧急情况下使用近1.5小时，这个时间足够工程车援救车辆。电池系统参数如下表所示。该电池系统可在-40~65℃的环境下使用，可以适用于全国各个地方的各个季节。
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表1：电池系统参数
结束语
目前各行各业在选用电芯的时最为关注的两个点就是能量密度和安全性能。钠氯化镍电池有很高的体积比能量和重量比能量，有着独一无二的安全性能。这些优越的特性使钠-氯化镍电池成为轨道交通、机房这些特殊场合唯一选择。结合轨道交通领域开展对应的研究，可将钠氯化镍电池系统安全、稳定、可靠的运用在各种有轨列车上。
参考文献
[1]徐海，郭朝有，曾凡明，吴雄学. 钠-氯化镍电池应用于潜艇动力系统的可行性分析[J]. 舰船科学技术，2014,11.