（电力电子与电力传动专业论文）高速磁浮列车车载电源系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s tr a c t w 曲t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e s l i v i n g ，t h em a g l e vv e h i c l et e c h n o l o g y a t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n , e s p e c i a l l yt h eh i g h - s p e e dm a g l e vv e h i c l ea p p l i e di nl o n g d i s t a n c et r a n s p o r t a 石o n i nt h i sp a p e r , t h ep o w e rs y s t e mi m p l e m e n t e d0 1 1h i 啦一s p e e dm a g l e vv e h i c l ei s e x p a t i a t e d a n di t sc o m p o s i t i o na n dc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e d t h e r e a f t e r , t h e m o d e lo ft h e4 4 0 vs t o r a g eb a t t e r yi ss t u d i e da n dt h e4 4 0 vb o o s tc h o p p e ri s d e s i g n e d a n dt h e4 4 0 vb o o s tc h o p p e ri sm a d eo nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n n ee x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g n i nc h a p t e r1 ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ea r t i c l e ，t h ec o r r e l a t i v ei n t e r n a l s i t u a t i o n sa n dt h o s ea b o a r da ei n 仃o d u c e d ，砀ew h o l es i m a t i 6 no ft h ep o w e r s y s t e mo nt h em a g l e vv e h i c l ei si n t r o d u c e di nc h a p t e r2 a n dt h ep o w e rs u p p l y , c o n s t i t u t i o na n df u n c t i o no fe v e r ym o d u l ei nt h ep o w e rs y s t e ma r ea l s o i n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 ，t h ec a t e g o r yo ft h eb a k e r yi sd e f i n e da f t e rt h es t u d yo ft h e 4 4 0 vs t o r a g eb a k e r y a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t i o no fi t sc a p a c i t y , t h ew o r k i n g c o n d i t i o na n dc h a r g i n gc o n t r o lo f t h eb a k e r ya r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r4 ，a f t e rs i m p l ei n t r o d u c t i o no ft h e4 4 0 vm a i np o w e rn e t , t h e r e l a t e di n f o r m a t i o na b o u tl i n e a rg e n e r a t i o ni sa l s oi n t r o d u c e d f u r t h e rs t u d yi s f o c u s e do nt h e4 4 0 vb o o s tc h o p p e r , t h ep r i n c i p l eo ft h ec i r c u i ta n dt h ed e d u c t i o n o f t h ec i r c u i t so u t p u tc o e f f i c i e n t s i nt h el a s tc h a p t e r , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fp r e v i o u sc h a p t e r , t h ee f f e c t s o nt h ec i r c u i ti ne v e r yc i r c u i tc o e f f i c i e n ta r ep r o d u c e da f t e rs i m u l a t i o n o nt h e b a s i so ft h ef e a s i b l es i m u l a t i o n ，t h ec i r c u i tc o e f f i c i e n t sa r ed e s i g n e da n dt h e 4 4 0 vb o o s tc h o p p e ri sp r o d u c e d t h r o u g ht h es t u d y , t h ew h o l es t a t u so ft h ep o w e rs y s t e mo nt h em a g l e v v e h i c l ei sg e n e r a l l ym a n i f e s t e d r e l a t e ds t u d yo nt h em o s td i f f i c u l tp o i n t so f t h e4 4 0 vb o o s tc h o p p e ra r ed o n e i t se q u i p m e n ti sp r o d u c e da n dt h ee x p e r i m e n t i sc o m p l e t e d k e yw o r d s ：m a g l e vv e h i c l e ；l i n e a rg e n e r a t i o n ；b o o s tc h o p p e r 西南交通大学曲南父逋大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文 筝者完全了解学校有关保露、使耀学位论文熬规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 泡子版，允许论文被套阕鞠错阕。本人授粳西南交邋大学可以将 本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存翻汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密匹扩在l 年解密后使用该授权书； 2 、不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打) 学位论文作者签名：韶是 目期：办c 年 y 月；f 1 3 指导教师签名：罗够莎吒 日期：2 形c 绰，月习e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 随着国民经济的发展，人们对运载工具的要求越来越高，磁浮列车就 是随之而产生的一种新型运载工具。和其他交通工具相比，磁浮列车由于 实现车身与轨道脱离接触，因而产生一系列优点，如速度快、乘坐平稳舒 适、噪音低、占地面积小、能耗低、安全可靠、寿命长、维修费用低等峭j 。 目前在世界上，重视磁浮列车研制并形成研制系列的国家是德国和日 本。 德国是最早开始研究磁浮列车技术的国家，其研究主要集中在e m s 型 磁浮列车技术上，目前在技术上占有优势m 】。它的e m s 型磁浮列车发展计 划称为t r a n s r a p i d ，相应的车型均用t r 加编号命名。世界上第一台e m s 型磁浮样车和世界上第一台有载人能力的磁浮列车均诞生在德国。德国建 造了专门对磁浮列车进行实验的拉腾镇的爱姆斯朗试验场。目前e m s 型磁 浮列车t r 系列的技术已经成熟，其中t r 0 7 ，共试运行1 2 万公里，软硬 件耐久试验达5 万小时。目前德国在积极兴建高速磁浮列车商业运行线。 日本地少人多，历来重视铁路技术的发展【3 4 】。日本航空公司1 9 7 4 年开 始e m s 型磁浮列车的设计研究工作，先后研制出h s s t - 0 1 、0 2 、0 3 等型号。 h s s t - 0 3 于1 9 8 5 年和1 9 8 6 年分别在日本筑波和加拿大温哥华展出，共进 行3 4 9 天载人运行。在h s s t - 0 3 的基础，日本航空公司又建造了h s s t - 0 4 和h s s t - 0 5 ，运行可靠性分别达到9 6 2 和9 9 8 。h s s t 系列均属e m s 型，在低速下( 比如时速1 0 0 公里) 行驶，噪声很低，适于作市内交通工 具。 日本国有铁路则致力于e d s 型研制，于6 0 年代中期就起步研究。1 9 7 2 年研制成的m l l 0 0 是世界上第一台e d s 型磁浮列车。1 9 7 9 年又研制成功 m l 5 0 0 ，时速5 1 7 公里，曾是陆面交通工具移动速度的世界纪录。 英国是最早进行磁浮列车商业运营的国家，连接伯明翰车站与机场的 9 0 0 米运行线1 9 8 4 年投入运营，采用e m s 型，时速4 8 公里，尚在使用， 但研究进展不大。 美国地广人稀，公路网和空中航线四通八达：长期忽视铁路发展。进 入9 0 年代后，美国科技界、工业界对磁浮列车技术表现出十分浓厚的兴趣， 大有奋起直追之势。1 9 9 3 年5 月，第1 2 届国际磁浮列车会议在美国举行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 之后，美国国会拟定拨款7 2 5 亿美元支持磁浮列车技术的发展，美国政府 也成立n m i 组织( n a t i o n a lm a g l e vi n i t i a t i v e ) ，发展此项技术。 除上述国家外，法国、俄国、韩国也都有研究计划。中国自8 0 年代初 开始磁悬浮运行技术的探讨和基础研究，其中包括悬浮控制技术研究、小 型磁浮模型车和模型装置的研制和理论分析，以及18 吨载人磁浮列车方案 设计等。现在，磁浮列车技术的研究已列入国家八五科技攻关项目，重点 发展e m s 型，初步决定建立磁浮试验线路。 上个世纪我国的研究主要集中于应用城市交通的中低速磁浮列车，目 前，技术己达到实用推广阶段。随着上海高速磁浮列车的引进，高速磁浮 列车技术研究开始展开。本文就是针对高速磁浮列车车载电源系统进行研 究、设计。由于磁浮列车的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、 机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果，因而磁浮列 车是高技术产品，却非高价产品。它所依据的基础技术均属成熟技术，不 需要等待某一项技术的突破或某种特殊材料与器件的出现。所有材料与器 件都是国内市场上可买到的商品，需要攻关的关键是组成系统的技术和实 现工程化，高速磁浮列车技术的国产化是可以实现的。 本论文主要研究了高速磁浮列车的电源系统，分析了电源系统的结构 和组件，重点研究了电源系统的关键组件4 4 0 v 升压斩波箱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第二章车载毫源系统总体分布 高速磁浮列车车辆是一个复杂的系统，按结构和功能可划分为车载电 源系统、懋浮导囱系缓、车载控铡系绞、列车诊羧系统、安全摹g 动系统、 车俸与寇行辊捣等死个子系统。各个子系统之润既相互独立，各窘完成糨 应的功能，又相互联系影响，构成车辆系统整体。 车载电源系统的主要功能是为车上用电设备提供电力供应。如为车载 控裁系绞、悬浮导定系统、毒动系绞、照盟、空调等设备提供安全可靠黪 电源。 2 1 牢载电源系统的供电 高遵磁浮列车是一种新型的交通工具【3 3 1 ，藏运行速度快，运行对车辆 与地面无接触，车载负载所需电能不可能由车载蒋电池完全掇供，蓄电池 的能量一般只在紧急状态时使用，正常工作时采用童线发毫搬与受流器秀 拜方式觚缝瑟囊车辆镣送憨量。 在常搏长定子电磁悬浮式磁浮列车中，通常采用直线发电机由地面向 车辆传递能量。实际中通过巧妙的结构设计，驱动用的直线同步电机系统 可以集车辆悬浮、驱动及直线发恕功链子一体。蠢线发电搬线圈嵌在悬浮 电磁铁磁极铁芯辛，鞫爝惫浮电磁场 睾为藏磁戳场，长定子酌篷槽效应产 生发电线圈的感应电动势。这在以筒将会讲到，在此就不作详细叙述。 显然，直线发电机发出的电能必须要在车辆达到一定速度后才能达到 使用( 如魄压、功搴) 船要求。也璇是说，在您速移启动鲍辩螟虫于直线 发电机发泡不是，不戆采璃或完全采瑗壹线发魄辊珙电，掰以需要采用受 流器辅助供电。在停止时，4 4 0 v 誉电池充电也采用受流器方式供电。 综上，高速磁浮列车车载电源系统的供电脊两部分组成，在启动和低 速时采燃受浚器供毫，在高速正常避罩亍对采用豢绫发电规供激，其中青一 段速度区阎为两者同嚣寸供电，这样可以减少因掰者切换带来的系统不安全 因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 2 车载电源电网结构 高速磁浮列车每节车厢有一套4 4 0 v 供电系统( 受流系统) ，在车辆启 动和低速运行时给车载电源外部供电。供电由于电压等原因不能直接使用， 通常要经过整流升压等电力变换后，通过蓄电池缓冲，输入车载电源的4 4 0 v 直流主电网，供车辆负载使用。高速磁浮列车车载电源中，除4 4 0 v 直流主 电网，还有2 3 0 v 三相交流电网、2 4 v 直流电网两个辅助电网，它们均挂在 4 4 0 v 直流主电网下面，通过主电网电力变换构建，属于辅助电网。 考虑到安全与冗余，高速磁浮歹0 车每节车厢有四套相互独立的4 4 0 v 直 流主电网，四套相互独立的2 4 v 直流电网以及两套相互独立的2 3 0 v 三相 交流电网。直线发电机与四套主电网交叉相连，以保证当部分故障时，不 会使整个电源电网失效。每节列车的电源电网相互连接情况如图2 1 所示。 图2 1 车载供电电源电网结构 2 3 车载电源系统功能 电阿分配的t f 耐奠块 2 4 v 电罔 铽0 v 蓄电 宅 空调设备 涡流制动 2 3 0 v 电罔 气动供电 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 根据图2 1 ，每节高速磁浮列车车载电源电网有4 4 0 v 直流电网、2 4 v 直流电网、2 3 0 v 三相交流电网三部分组成，每一部分的功能和供电对象不 同。 图2 - - 2 车载供电电源电网功能结构 4 4 0 v 直流主电网主要用于对悬浮斩波器、导向斩波器、涡流制动斩波 器、空调变频电源、电热器、2 4 v 直流斩波器、2 3 0 v 三相交流逆变器等提 供车载电能。每套4 4 0 v 电网上都接有一组蓄电池作为备用电源，备用电源 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在紧急制动等情况下才使用。2 4 v 直流斩波器有4 个，分别挂接在相应的 4 4 0 v 直流主电网上。除了三相交流2 3 0 v 逆变器只有2 个，分别挂接在1 号和3 号4 4 0 v 直流主电网上，其余各设备均有4 个，分别挂接在相应的 4 4 0 v 直流主电网上。4 4 0 v 直流电网、2 3 0 v 三相交流电网与2 4 v 直流电网 间两两采取了安全隔离措施，而且四套4 4 0 v 直流电网之间也采取了安全隔 离措施，四套4 4 0 v 直流车载电网，彼此相互独立。 2 3 0 v 三相交流电网电源频率为5 0 h z ，在每一车厢中只有两套，主要 用于风机、空压机和阅读灯等的供电，由于供电对象是车上不关系到安全 的用电设备，所以在车厢和服务区域内无安全冗余。阅读灯供电为1 2 v 交 流电，分别由2 个变压器，对2 3 0 v 交流电降压后提供。两套2 3 0 v 三相交 流电网电源来自分别挂在4 4 0 v 车载电网l 号和3 号上的两个逆变器。 2 4 v 直流电网是车上的控制电网，主要向控制设备提供控制电源。每 套2 4 v 电网上都接有一组蓄电池作为各用电源，使2 4 v 电网都有较大的冗 余，当部分设备出现故障时不会影响对车辆的供电。4 套相互独立的2 4 v 直流电网以安全冗余方式给耗电设备供电。每个2 4v 直流电网的直直交换 器具有8 个独立的开关电源，每一个4 4 0 v 直流电网通过直直变换器给2 个 开关电源供电。每个直直交换器的开关电源都有电压调节、电流调节和保 护电路的功能，它们在超出允许电压范围时断开输出。通过车载电网的保 护装置，来接通2 4 v 蓄电池。2 4 v 电网的蓄电池缓冲仅在应急状况下的运 行才会导致蓄电池的明显放电。 2 4 车载电源系统组件 高速磁浮列车车载电源系统的组件有受流装置、直线发电机、4 4 0 v 升 压斩波箱、2 4 v 直直变换电源箱、2 3 0 v 电源逆变箱、4 4 0 v 蓄电池、2 4 v 蓄电池以及外部供电车载电网开关箱、4 4 0 v 车载电网开关箱、2 3 0 v 车载 电网开关箱、2 3 0 v 车载电网配电柜、2 4 v 车载电网开关箱、2 4 v 车载电网 配电柜。 总的来看，组件可以分成四部分： 1 、供电系统部分：受流装置和直线发电机 2 、电力变换部分：4 4 0 v 升压斩波箱、2 3 0 v 电源逆变箱和2 4 v 直直变换电 源箱 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 、电力缓冲部分：4 4 0 v 蓄电池、2 4 v 蓄电池 4 、开关配电部分：外部供电车载电网开关箱、4 4 0 v 车载电网开关箱、2 3 0 v 车载电网开关箱、2 3 0 v 车载电网配电柜、2 4 v 车载电网开关箱、2 4 v 车载电网配电柜 装置中电源变换箱和电源开关箱均采用模块化结构，使用统一尺寸结 构的箱体。供电系统部分、电力变换部分和电力缓冲部分在后面将要详细 研究，在此只介绍开关配电部分。 4 4 0 v 车载电网开关箱用于实现4 4 0 v 车载电网的配电及电路保护。 4 4 0 v 车载电网开关箱主要功能有控制4 4 0 v 蓄电池到4 4 0 v 车载电网、2 4 v 直直变换器到4 4 0 v 蓄电池的通断，4 4 0 v 蓄电池加热器的控制和4 4 0 v 车 载电网电缆的过流保护。4 4 0 v 车载电网开关箱内部8 个电流互感器监测蓄 电池电流并送到相应的8 个升压斩波器。每节车有4 个4 4 0 v 车载电网开关 箱，每个开关箱对应一条4 4 0 v 车载电网，各个开关箱间相互独立。 每节车有2 个2 3 0 v 车载电网开关箱，分别连接2 3 0 v 电网的两个逆变 器。2 3 0 v 车载电网开关箱用于将4 4 0 v 电网与2 3 0 v 电网隔离开，它由2 个三相变压器和3 个电容组成。其输入是来自于逆变器的2 3 0 v 三相交流电， 输出为线电压为4 0 0 v 的三相交流电。电容用于抑制干扰电流对输出电流的 影响。变压器采用“，y ”接法并进行温升监控。 2 3 0 v 车载电网配电柜把来自车辆逆变器并通过2 3 0 v 车载电网开关箱 传输过来的电能分配给各个2 3 0 v 用电设备及阅读灯( 2 8 v ) 。每节车有两 个2 3 0 v 车载电网配电柜，分别与两个2 3 0 v 电网对应，彼此相互独立。 每节车有四个2 4 v 车载电网开关箱，四个2 4 v 直直变换器输出的电源 分别接入相应的2 4 v 车载电网开关箱中，各个开关箱间没有联系。2 4 v 车 载电网开关箱主要用于接通2 4 v 蓄电池和2 4 v 紧急功能( 紧急照明、紧急 通讯) ，对相应的电缆提供线路保护。 2 4 v 车载电网配电柜用于对2 4 v 用电设备进行线路过载与短路保护。 每节车有一个2 4 v 车载电网配电柜，其电源来自于2 4 v 车载电网开关箱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第三章车载电源系统中的蓄电池 在车载电源系统中4 4 0 v 主电网与2 4 v 辅助电网均使用蓄电池缓冲，一 方面可以提高电源的稳定性和电网的安全性能，同时为车载系统在紧急状 况下提供能量供给。 在高速磁浮列车车辆中，每套4 4 0 v 电网配置的4 4 0 v 蓄电池为3 5 2 节 高密度，轻重量航空蓄电池。当车辆正常运行时，蓄电池不向负载提供电 能；当车辆故障时，蓄电池储量可以保证在最坏条件下满足涡流制动的需 求。4 4 0 v 车载电网开关箱控制4 4 0 v 蓄电池与车载电网的连接。3 5 2 节蓄电 池分别放在两个蓄电池箱中，蓄电池箱有加热和通风装置。 2 4 v 车载电网配有8 0 节镍镉蓄电池作为缓冲，这8 0 节蓄电池装在一 个蓄电池箱中。该蓄电池箱的通风、加热和监控与4 4 0 v 电网的蓄电池相同。 2 4 v 车载蓄电池的充电与维护不在车上完成，需定时在车下维护。2 4 v 蓄电 池只有在4 4 0v 电网和2 4v 电网完全切断之后，为满足可维持一个小时的 应急功能( 应急照明、应急通讯联络) 运行时才向设备供电，所以蓄电池 的容量可以通过简单的能耗估算得到。 在本章中主要讨论4 4 0 v 蓄电池的种类选择、容量计算、工作条件以及 充电控制过程等几个方面的情况。2 4 v 蓄电池相对简单，相关情况可以类推 4 4 0 v 蓄电池，所以不作讨论。 3 1 蓄电池的选择 蓄电池又称为二次电池，蓄电池放电后，可用充电的方法使其活性物 质复原以后再放电，故能以充电、放电方法循环多次使用。 蓄电池有很多种，根据电解质不同，可分为酸性蓄电池及碱性蓄电池。 前者指铅蓄电池一种，后者由于电极材料不同有很多种，常用的是镍镉， 镍氢、锂电池以及镍铁、锌银、钠硫等。 表3 1 列出了目前主要的几种大型蓄电池的隋况。 表3 1 大型蓄电池现状概妻 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 比能量 3 55 57 06 0 7 01 0 0 ( w h k g ) 循环寿命 4 0 0 6 0 05 0 0 以上2 0 0 3 0 01 0 0 0 以上】2 0 0 ( 次) 比能量较 比能量比能量 廉价，可高，寿命比能量高， 优点 高，功率高，电压 靠性高长，耐过寿命长 大 充放性好 比能量寿命短， 有毒性价 较低，耐价高，高价高，高温 价高，安 缺点高高温充 过充放温充电性充电性差全性问题 电性差 性差 部分达部分达实实用试验实用试验开发实用 现状 实用化用化试验中 酸性蓄电池是铅蓄电池的一种，又称为铅酸蓄电池，其正极活性物质 是二氧化铅( 勋。2 ) ，负极活性物质是海绵状的金属铅( p b ) ，电解液使 用稀硫酸( h 2 s 0 4 ) 的水溶液。铅蓄电池充电完成后正极活性物质是二氧 化铅( j f 协d 2 ) ，负极活性物质是海绵状的金属铅( p b ) ；放电完成后正负 极活性物质都转化为硫酸铅( p b s 0 4 ) 。 反应的化学方程式如下： p 6 0 2 + 2 h 2 s 0 4 + p 6 里兰i 斗p 西s d 4 + 2 h 2 0 + p b s 0 4 正极屯解液负极正极负极 铅酸电池出于价格便宜，在交通运输( 如电车、汽车等) 中有广泛的 使用。但是其用于磁浮列车中主要的缺点在于其比能量不高，体积庞大， 车重增加严重；比功率小，相同条件下存储能量少；使用寿命短，需经常 更换，维护不便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 一般来说，同样容量下铅酸蓄电池的重量是镍镉蓄电池重量的1 5 倍。 假设每车使用的车载蓄电池为四组，每组容量为2 7 a h ，总共1 0 8 h h ，计1 0 8 a h 4 4 0 v = 4 7 5 2 k w h 。 根据表3 1 数据计算，如采用铅酸蓄电池重量为4 7 5 2 3 5 = 1 3 6 吨： 采用镍镉蓄电池则重量为4 7 ，5 2 - - 5 5 = 0 8 6 吨，两者重量相差0 5 吨。同 容量下，铅酸蓄电池比镍镉蓄电池重5 8 1 ，安装空间也需增加很多。 铅酸蓄电池的使用寿命不到镍镉蓄电池的一半，价格大约是镍镉蓄电 池的四到五分之一，其初期购置成本低。但由于铅酸蓄电池在比能量和使 用寿命方面的缺点，因此长期使用实际成本相对镍镉蓄电池要高。所以， 铅蓄电池不适合在高速磁浮列车中使用。 在碱性电池中较常用的有镍镉、镍氢和锂电池，此外还有钠硫蓄电池、 镍铁蓄电池等。镍镉蓄电池在技术上比较成熟，在价格与维护的方面具有 优势，但在比能量、使用寿命和环境保护等方面不如镍氢和锂电池。 锂电池指以金属锂或锂的化合物作活性物质的电池，锂电池分为一次 锂电池和二次锂电池。从电池性能上讲，锂电池性能好，但锂电池的开发 研究比较晚。锂离子蓄电池是9 0 年索尼推出的新品种，9 2 年才商品化，国 内尚处在研制阶段。锂电池国内产量不大，生产厂家有长江电源厂、常州 电池厂、天津电源研究所、石家庄市燕华电池厂等。从总体上讲，我国已 研制成个别系列的锂蓄电池，但还不能商品化，对锂离子蓄电池研制仅处 于起步阶段，目前采用锂电池作为高速磁浮列车的蓄电池不适宜。 各类镍镉蓄电池的电极活性物质都相同，即负极的活性物质充电状态 是镉，放电状态是氢氧化镉；正极的活性物质充电状态是氢氧化镍，放电 状态是氢氧化亚镍，电解质为氢氧化钾溶液。电池反应式如下： c 留+ 2 n i o o h + 2 ，0 = c d ( o h ) ，+ 2 n i ( o h ) ， 正极反应：n i o o h + h 2 0 + e = n i ( o h ) 2 + o h 放电时负极活性物质镉给出两个电子与电液里的两个氢氧根离子 t 叫2 ，结合生成氢氧化镉，两个电子由负极流出，通过外线路的负载传到 正极。正极上的两个氢氧化镍分子( 州2 t u 月，z ) 接受两个负电荷后与水和 镉生成两个氢氧化亚镍( n i o o h ) 分子和两个氢氧根离子。在电液中两个 氢氧根离子携带负电荷从正极迁移到负极，完成电池放电的全过程。 充电时电荷流动的方向与放电时相反，充电时j 下极放电活性物质氢氧 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 化亚镍逐渐变成充电态活性物质氢氧化镍，负极放电态活性物质氢氧化镉 逐渐变成充电态活性物质镉，电池恢复了充电状态。电池每充放电一次电 池的活性物质也周而复始的变化一次。 镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，属于碱性电池，其特性和镍镉蓄电池 相似，不过镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。镍氢电池包 括一个以氢氧化镍为主要活性成分的阳极板和一个吸附氢的阴极合金( 如 n i f e 和m g n i ，通常以m h 表示) 板，内有一个由细纤维制成的隔板，用碱 性电解液，装在金属外壳里，带一块可自动打开安全排气口的密封板。 镍氢电池总的电极反应方程式如下。 m + x f ( 0 日) 2 ：m h x + x n i o o h 其正极反应与镍镉蓄电池反应相同。 镍氢蓄电池以下的特性使它适于作为磁浮列车车载蓄电池。 l 、高的比能量，从而具有较小的体积和较轻的重量： 2 、高的比功率，在大电流工作时也能平稳放电，保证列车可以稳定安全的 紧急制动； 3 、循环寿命长，安全可靠，免维护，与环境友好，可再生等。 综合前述，适合在高速磁浮列车中使用的蓄电池有镍镉蓄电池和镍氢 蓄电池两种。下面对两者进行比较。 首先从电池性能上讲，镍氢蓄电池与镍镉蓄电池在比能量、比功率、 使用寿命等方面相当或赂优，而镍氢蓄电池不使用锾等重金属，可以有效 避免重金属污染：从使用特性上来讲，镍氢与镍镉蓄电池同属碱性蓄电池， 正极反应相同，蓄电池充放电特性相似，两者可以相互替代。 从蓄电池技术和生产上讲，虽然镍氢蓄电池产生、发展于镍镉蓄电池 之后，但镍氢蓄屯池的生产工艺和设备与镍镉蓄宅池继承性强，发展异常 快。我国已研制成功的高压镍氢蓄电池、金属氢化物镍蓄电池，一些厂家 已生产定型。近年也提供数百万圆柱式电池，还纷纷建新厂点。总体来说， 镍氢蓄电池目前正处于应用推广、开拓市场阶段。北京有色金属研究总院 于1 9 9 6 年在国内首次研制完成开口富液型镍氢动力电池组，并成功运行于 电动三轮车和电动汽车。之后，又完成了l o a h 1 5 0 a h 系列方形密封镍氢 动力电池的开发工作，并于1 9 9 9 年底在国内首次成功应用于5 人坐电动轿 车，一次充电行驶里程达2 2 5 千米，电池性能表现优异。目前国内设计制 造镍氢蓄电池作为高速磁浮列车车载蓄电池在技术和生产方面应不存在问 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l2 页 题，但目前没有成熟产品选择。镍镉蓄电池的研究、生产比较成熟，有比 较完整的产品系列可供选择，所以本文在设计上采用镍镉蓄电池，在此仅 指出镍氢蓄电池具有研究应用的潜力。 上面根据各种蓄电池的特性，选择镍镉蓄电池作为高速磁浮列车的车 载蓄电池。下面简单介绍蓄电池使用过程的一个重要环节，蓄电池充电。 蓄电池充电方式和充电质量直接关系到蓄电池的性能【4 8 j 。 蓄电池根据充电状态、时间等的不同，可以分为以下几种主要的形式。 1 、初次充电 新蓄电池清洁干净后，按规定说明加入电解液，按照铭牌上的充电电 流充电。对镍镉蓄电池先用正常充电电流充电6 小时，再用1 2 正常充电 的电流连续充电6 小时，接着用8 小时放电率放电4 小时。 2 、正常充电 选用直流电源。连接电源和蓄电池时，不能错接极性。按正常充电电 流值，一般需要充6 7 小时。充电时必须注意蓄电池的温度，同时避免电 解液接触空气中二氧化碳失效。 3 、过充电 蓄电池长期充放电后极板上的活性物质不能全部参加化学反应或部分 不能复原，会逐渐发生容量减退的现象，为恢复蓄电池的容量要进行过充 电。一般蓄电池经过1 0 次充放电循环以后应该进行一次过充电。通过过充 电可以恢复蓄电池的容量。 4 、浮充电 浮充电是蓄电池组的一种运行方式。浮充电源常与蓄电池一起使用， 它通过直流母线既向负载提供电流，又以一定的电流向电池组充电。当直 流负载突然加重或突然断电时，蓄电池组向它们放电。当恢复正常时，浮 充电源又给电池组充电。浮充电可以保证电池组始终处于满电状态中。浮 充时必须随时调整浮充电源的输出电流，使直流母线的电压保持在正确值。 如果直流母线电压升高或降低时不能用增加或减少辅助电池的个数来保持 母线电压值。因为增减辅助电池会使蓄电池组放电或充电，而不能使自身 总处于浮充电状态，有可能造成过充电或过放电。 除了根据蓄电池充电状况、时间进行分类，还可以根据蓄电池充电时 的充电电流电压进行分类，主要有以下几种方法。 l 、恒压充电法 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 亦称并联充电，充电过程中充电电压保持不变。这种充电方式充电初 期充电电流相当太，随之电池端电压逐渐上升充电电流逐渐减小，当电池 电压与电源电压相等时充电便自行停止。这种充电方法比较简单，适用于 浮充方式，充电能耗低、效率高，还可避免过充电不需专人看管，但充电 初期电流过大。 2 、恒流充电法 亦称串联充电法，充电过程中充电电流分段保持不变，电流用调整充 电装置达到。这种方式始终在较大电流下进行充电，可缩短充电时间。这 种方法在充电末期仍保持较大的电流充电，浪费电力，并对极板冲击大， 易损坏电池，能耗高、效率低且充电过程必须专人看管，使用范围较小。 另外还有一种小电流长时间的充电模式，有利于容量恢复较慢的蓄电 池充电。 3 、快速充电 快速充电是指在大电流充电过程中自行进行短暂的停充电，并在停充 电中自动加入放电脉冲( 或以一定的电流差值递减) 的充电方式。充电过 程中不产生大量气体亦不发热，可缩短充电时间。目前常用的快速充电方 法是脉冲快充和大电流递减快充两种。 快速充电具有充电时间短、空气污染小、省电节能且不需专人看管的 特点，适用于要求在短时间内对蓄电池实施充电的场合，例如城市公交车。 快速充电的能量转换效率较低，析出气体的出气率高易造成极板活性物质 脱落，不宣对新启用的电池进行初充电。 4 、均衡充电 均衡充电是以小电流对蓄电池进行数小时的过充电过程。主要用来消 除一组浮充运行的蓄电池在同样运行条件下由于各种原因造成的全组电池 不均衡而形成的差别，以达到全组电池的均衡。 对于蓄电池组长时间大电流放电或长时间担负直流电荷后没能及时充 电；蓄电池个别单格电压、电解液密度偏低，全组电池产生差别时：未按 规定周期实施充放电的蓄电池，有必要实行均衡充电但不宣频繁使用。 5 、恒压限流充电 恒压限流充电主要用于补救恒压充电时充电电流过大的缺点。通过在 充电电源和被充蓄电池之间串联一限流电阻来自动调节充电电流。 当充电电流过大时限流电阻上的压降也大从而减小了充电电压，当充 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 电电流小时限流电阻上的压降也小，充电设备输出的电压损失也小。这种 方法目前广泛应用于免维护蓄电池的初充电和普通电池的补充充电。 6 、智能充电 智能充电是目前较先进的充电方法，原理是在整个充电过程中动态跟 踪蓄电池可接受的充电电流。应用d v d t 技术，即充电电源根据蓄电池的 状态自动确定充电参数，使充电电流自始至终保持在电池可接受的充电电 流曲线附近，保持蓄电池几乎在无气体析出的状态下充电，从而起到保护 蓄电池的作用。适用于各型各类的蓄电池充电，安全可靠、省时节能。 蓄电池充满电的条件称为充电的截止条件。镍镯蓄电池的充电截止条 件较多，可作参考的有与充电法相关的电压负增量截止条件和与温度充 电法相关的温度截止条件【4 郅。法也称为峰值增量充电法，是通过监测电 池充满后出现的电压负增量来实现自动充电的：温度法是利用蓄电池在充 电过程中充电电压负增量与充电温度的一致关系实现自动充电的。 充电时蓄电池内部发生强烈的化学反应伴随温度升高，过高的温度会 降低充电效率缩短电池的使用寿命。正常充电时对于铅酸蓄电池温度应在 3 5 。c 以下不能超过4 5 ，对于镍镉蓄电池应在3 7 。c 以下不能超过4 8 。c 。 结合设计和列车实际运行，镍镉蓄电池应采用恒压浮充方式充电。蓄 电池充电时，蓄电池与负载并联，蓄电池在对负载放电的同时接受充电器 充电。浮充电压过高过低对蓄电池都不利，若充电电压低于规定值时，蓄 电池仍对外放电从而不能保证蓄电池处于满容量状态，浮充电电压过高时 电地处于过充电状态，影晌蓄电池的运行寿命。 镍镉蓄电池的充电电源升压斩波器在正常工作时有三种电压4 4 0 v ， 4 8 4 v 和5 3 0 v 三种。当列车正常运行时，升压斩波器输出为4 8 4 v ，蓄电池 作为补充备用电源；当列车速度足够高而蓄电池电能不满时，升压斩波器 输出先降为4 4 0 v ，维持数秒，再输出5 3 0 v 对镍镉蓄电池进行恒压浮充电； 当蓄电池电能充满时，升压斩波器输出在维持4 8 4 v ，此时蓄电池满载，处 于满充保持状态，负载供电由升压斩波器提供。 此外，必须注意蓄电池浮充电时的电压纹波系数。当纹波系数太大时 即使其直流稳压精度足够，在叠加交流分量之后浮充压值也会周期性的超 过允许变动范围。镍镉蓄电池在充放电起始阶段有可能在浮充电状态下周 期性的瞬间产生过大的充放电电流，所以升压斩波器纹波系数一般不应超 j 立1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 。2 蓄电池容量的计算 通过比较各种蓄电池的优缺点， 电池。下面讨论蓄电池容量的计算， 电及使用情况。 高速磁浮列车车载蓄电池选择镍镉蓄 首先简单的叙述一下车载蓄电池的充 高速磁浮列车车辆在正常运行时，车载蓄电池不向车载负载供电，仅 保持满充的状态，车辆负载完全由直线发电机和受流器供电。直线发电机 和受流器供电可以完全满足车载负载能量需求，车载蓄电池仅在紧急状态 下使用。车辆故障运彳亍时4 4 0 v 蓄电池电容量应该满足安全停车( 紧急制 动) 的要求。如果运行中车载蓄电池电容量不足，应该关闭空调，利用4 4 0 v 升压斩波器向4 4 0 v 蓄电池恒压浮充直至充满。 当高速磁浮列车启动时，如果车载蓄电池容量不满，那么车辆不能启 动，应由受流器供电将车载蓄电池充满后才允许车辆启动。车辆在受流器 区间运行时，车载蓄电池应为充满状态，空调设备此时也应切断。车载蓄 电池的电量状态监控和充电状态控制均由充电控制器完成。 在高速磁浮列车紧急制动时，供电电源为车载蓄电池与直线发电机。 当车辆出现故障时，应保证最坏条件下蓄电池容量满足涡流制动的能量需 求。车载蓄电池通过4 4 0 v 车载电网开关箱与4 4 0 v 升压斩波器相连。 高速磁浮列车正常运行时，每辆车车载设备消耗总功率pz = 1 4 8 k w ( 包 括空调设备的功率2 1 k w ) 。当涡流制动器制动时，每辆车的涡流制动器晟大 功率p 2 = 1 0 7 k w ，以上两部分合计p 。= 2 5 5 k w 。列车停放降落，车上空调停止 工作时，总功率p 。= 8 3 k w 。 以下计算蓄电池容量，首先作如下假设。 l 、假设车载直流电网电压v = 4 4 0 v ，不考虑充放电过程中的压降变化，受流 器仅铺设在车站和维修区。 2 、假设直线发电机在供电中贡献的输出功率与车辆运行速度成正比。 由于蓄电池可能与直线发电机同时供电，所以对直线发电机供电情况 根据实际情况进行假设，以简化闽题。在实际中。直线发屯机在供电中贡 献的输出功率与车辆运行速度成正比不严格成立，但在一定范围内近似成 立。 高速磁浮列车正常运行时，列车速度在l o o k m h 以上时，直线发电机 可提供全部车载能耗；速度在2 0 k m h 至i o o k r a h 问，直线发电机提供部分 西南交通大学硕士研究生学位论文第l6 页 能耗。列车涡流制动器制动过程中，速度1 5 0 k m h 以上直线发电机提供全 部车载能耗，速度1 5 0 k m h 至2 0 k m h 范围内，直线发电机提供部分电能。 3 、假设整个制动过程中涡流制动器总是消耗最大功率。 实际中，涡流制动器制动时，制动力变化和消耗功率的变化较复杂， 这里为计算方便，按最不利情况进行估算。 首先计算列车启动阶段制动所需蓄电池能耗，即在列车启动至l o o k m h 期间正常制动需要消耗的蓄电池电能。可以看出在此阶段的能耗与列车以 同样加速度启动的能耗应该相当，而启动过程的计算比制动过程简单，所 以通过启动过程计算列车能耗。 假设列车从静止加速到1 0 0 k m h 近似看作恒加速度运动，平均加速度 取0 6 5 m s 2 ，则加速时间，= 3 4 s ，则车辆消耗电能如下。 s l = 只f 1 3 6 0 0 = 1 4 8 x3 4 3 6 0 0 = 1 4 k w h 折算安时数为：c 1 = s ，v = 1 4 0 0 4 4 0 = 3 1 8 a h 。 3 1 8 a h 由车载蓄电池和直线发电机共同提供。根据假设直线发电机提 供的输出功率与列车运行速度成正比，当车辆速度为1 0 0 k m h 的时候，直 线发电机可以提供全部功率，即3 1 8 a h ，直线发电机从2 0 k m h 开始提供能 量。绘制功率速度曲线3 i 图所示。 2 0 k m h l o o k m h 速度v 图3 1 正常制动直线发电机输出功率、速度曲线 图3 1 中区域i 和区域i i 的面积分别代表直线发电机与车载蓄电池 提供的能量。显然，根据简单的几何学知识可以计算出两者之闻的比例 鼻：鼻。= 3 ：5 。车载蓄电池提供能量为总能量的5 8 ，计算可以得到 c = c l 5 8 = 1 9 9 a h 。 计算列车正常运行阶段涡流制动所需蓄电池能耗。 高速磁浮列车从高速减速到1 5 0k m h ，涡流制动能量由直线发电机提 西南交通大学硕士研究生学位邀第! 二堕 供，当速度低于1 5 0 k m h 时，能量由蓄电池和直线发电机共同提供。同样， 直线发电机电能提供至列车速度低于2 0 k m h ，在列车速度为1 5 0 k m h 的时 候，直线发电机提供全部列车涡流制动功率和车载设备消耗功率，即p 3 ， 为2 5 5 k w 。 和前面的计算一样，绘制功率速度曲线，可以得到直线发电机提供能 量与蓄电池提供能量的比值为6 5 ：8 5 。 2 0 k m h 1 5 0 k m h速度v 图3 2 涡流制动直线发电机输出功率、速度曲线 按最不利情况考虑，涡流制动器的消耗功率为最大值时，不考虑较小 制动力情况下功率的降低，假设平均减速度为0 8m s 2 ，则停车时间为 t 2 = t 5 0 x 1 0 0 0 + 3 6 0 0 0 8 = 5 2 s 涡流制动总功耗s ，= 只，3 6 0 0 = 2 5 5 5 2 3 6 0 0 = 3 6 9 0 k w h ，蓄电池 功耗为s ，。= s ，8 5 1 5 0 = 2 0 9 1 栅哺。 计算折合安时数，可以得到c ，= 4 7 5 a h 。 显然涡流制动蓄电池功耗4 7 5 a h 远大于正常制动时的蓄电池功耗 1 1 9 a h 。当列车运行速度在1 0 0 k m h 与1 5 0 k m h 之间的时候，制动功耗的 计算可以以前面为例计算得到，计算数值应在两者之间，在此不再推算。 如果假设每次制动所需的最大能量不超过蓄电池总容量的百分之五， 那么可以大致推算蓄电池总安时数应在l o o a h 左右。 最后计算列车故障，紧急停降时消耗蓄电池电能。列车通过紧急制动 停在没有供电轨的路段，仅由蓄电池向车载负载供电。如果车辆空调停止， 维持t 分钟时间，所要求得功耗为s ，千瓦时，则& = 只f 6 0 。 可以计算得到列车紧急停车降落后维持1 0 分钟、1 5 分钟、2 0 分钟、 3 0 分钟所要求的功耗为1 3 8 3k w h 、2 0 7