前 言
軌道交通作為成本低、能耗低、效率高、資源占用少、環(huán)境污染小的綠色交通工具，是全球各國積極發(fā)展的基礎設施之一。與新能源汽車相比，新能源技術在軌道交通機車車輛上的應用相對發(fā)展較慢，主要原因是在功率、能量、環(huán)境適應性、壽命、安全性等方面，軌道交通機車車輛對車載儲能系統(tǒng)的要求更高。近年來，隨著對運營可靠性和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，以及隨著鋰離子動力電池技術的不斷進步，世界各國紛紛推出了鋰離子動力電池驅動、油-電混合動力驅動、氫燃料電池驅動等不同形式的新能源軌道交通機車車輛，軌道交通鋰離子動力電池技術得到快速發(fā)展。我們團隊是國內較早從事鋰離子動力電池成組應用、管理及充電技術研究的科研團隊，并將相關技術應用于新能源電動汽車領域。隨著鋰離子動力電池技術的不斷成熟，從2010年左右開始，我們團隊將相關鋰離子動力電池技術引入軌道交通機車車輛領域，典型應用包括：中國標準動車組、動力鋰離子電池驅動有軌電車、電池-電容混合驅動有軌電車、油-電混合動車組、電-電混合動車組、氫燃料電池與鋰離子電池混合驅動有軌電車等。在技術標準方面，我們團隊牽頭或參與完成了多項軌道交通行業(yè)及企業(yè)標準的制訂工作，促進了軌道交通鋰離子動力電池技術的發(fā)展。隨著鋰離子動力電池技術在軌道交通領域的應用越來越多，迫切需要廣大科研工作者、在校教師及學生對鋰離子動力電池有更深入的認識和了解。在國家重點研發(fā)計劃項目支持下，我們組織編著了本書。
本書共8 章。第1 章為新能源軌道交通概述，主要介紹了新能源軌道交通的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，介紹了新能源軌道交通的主要應用場景及技術方案。第2章為軌道交通車載儲能元件概述，介紹了鋰離子電池、超級電容、燃料電池等主要儲能元件的原理、特性及類型等。第3章為鋰離子動力電池建模，介紹了鋰離子電池的電化學模型、等效電路模型以及熱模型的構建方法。另外，在端電壓模型和熱模型的基礎上介紹了熱-電耦合模型的構建方法。第4 章為鋰離子動力電池SOC 和SOP 估計，詳細介紹了鋰離子電池SOC 和SOP 估計方法。第5 章為鋰離子動力電池BMS 設計，介紹了軌道交通BMS 功能需求、BMS 拓撲構架及通信方式、BMS 檢測及控制功能、BMS 均衡管理及其發(fā)展趨勢。第6 章為多能源耦合車載儲能系統(tǒng)配置及管理，主要介紹了軌道交通機車車輛工況提取的意義及方法、能源耦合列車動力系統(tǒng)仿真方法，多能源耦合車載儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法和能量管理策略。第7章為鋰離子動力電池數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，介紹了電池數(shù)據(jù)分析的目標及作用、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)構架、電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法及應用。第8章為車載儲能系統(tǒng)測試與評價技術，介紹了車載儲能系統(tǒng)評測體系及評測方法，詳細介紹了鋰離子電池單體、包和系統(tǒng)及管理系統(tǒng)的測試方法，最后介紹了鋰離子電池系統(tǒng)評估方法。在本書的各章節(jié)中，根據(jù)需軌道交通動力電池系統(tǒng)核心技術要，給出了實際案例分析。本書由北京交通大學電氣工程學院張維戈、吳健編著，參與編著的人員包括：王占國老師、龔敏明老師、張彩萍老師、張琳靜老師、張言茹老師、黃彧老師、孫丙香老師、周興振博士、張弛博士、陳安慈博士、韋紹遠博士、安復來博士、陳丁鴻博士、范鑫源博士、王軼歐工程師。在此對他們的辛勤工作表示感謝。
本書是根據(jù)我們團隊20 年的研究成果整理而成。本書的編著得到了國家重點研發(fā)計劃National Key R&D Program of China（GrantNumber 2017YFB1201005）的支持，在此表示衷心的感謝。
編者
2020年6月
目 錄
第1 章 新能源軌道交通概述.1
1.1 新能源軌道交通技術概述. 2
1.2 新能源軌道交通技術發(fā)展現(xiàn)狀. 3
1.2.1 油-電混合動力. 3
1.2.2 電-電混合動力. 9
1.2.3 燃料電池動力. 13
1.3 新能源軌道交通技術應用. 17
1.3.1 油-電混合動力. 18
1.3.2 電-電混合動力. 18
1.3.3 油-電-電多源混合動力. 22
1.3.4 氫燃料電池混合動力. 22
參考文獻. 23
第2 章 軌道交通車載儲能元件概述.24
2.1 電池基本原理介紹. 24
2.2 鋰離子電池. 26
2.2.1 鋰離子電池的工作原理. 27
2.2.2 鋰離子電池的分類. 29
2.3 超級電容. 38
2.3.1 雙電層電容器. 40
2.3.2 贗電容. 42
2.3.3 鋰離子電容器. 42
2.4 燃料電池. 44
2.4.1 燃料電池的分類. 44
2.4.2 燃料電池的工作原理. 45
2.5 其他儲能元件概述. 46
2.5.1 鋰硫電池. 47
2.5.2 鋰-空氣電池. 48
2.5.3 固態(tài)鋰離子電池. 48
參考文獻. 49
第3 章 鋰離子動力電池建模.52
3.1 鋰離子動力電池建模目的. 52
3.1.1 端電壓建模目的. 52
3.1.2 熱建模目的. 52
3.2 P2D 電化學模型. 52
3.2.1 P2D 電化學模型介紹. 53
3.2.2 P2D 電化學模型的構建方法. 54
3.3 等效電路模型. 57
3.3.1 等效電路模型介紹. 57
3.3.2 一階RC 等效電路模型. 58
3.3.3 二階RC 等效電路模型. 59
3.3.4 等效電路模型參數(shù)影響因素. 59
3.4 熱模型. 60
3.4.1 生熱率模型. 60
3.4.2 溫度預測模型. 60
3.5 熱-電耦合模型. 61
參考文獻. 62
第4 章 鋰離子動力電池SOC 和SOP估計.64
4.1 鋰離子動力電池SOC估計. 64
4.1.1 SOC估計方法匯總. 64
4.1.2 基于一階RC等效電路模型和EKF觀測器技術結合的SOC估計方法. 66
4.2 鋰離子動力電池SOP 估計. 72
4.2.1 SOP 估計方法匯總. 72
4.2.2 常用靜態(tài)功率譜測試方法. 73
4.2.3 基于一階RC 等效電路模型的SOP 估計方法. 78
參考文獻. 78
第5 章 鋰離子動力電池BMS 設計.80
5.1 軌道交通BMS功能需求. 80
5.1.1 BMS 對鋰離子電池的重要意義. 81
5.1.2 BMS 的基本功能. 82
5.1.3 軌道交通BMS 的特點. 84
5.2 BMS拓撲及通信. 85
5.2.1 BMS 拓撲架構. 85
5.2.2 BMS 通信. 87
5.3 BMS的檢測功能. 89
5.3.1 單體電壓檢測. 89
5.3.2 總電壓檢測. 91
5.3.3 總電流檢測. 92
5.3.4 電流電壓檢測的發(fā)展趨勢. 93
5.3.5 溫度檢測. 93
5.4 BMS的控制功能. 94
5.4.1 上下電控制. 95
5.4.2 對充放電的控制. 95
5.4.3 對熱管理系統(tǒng)的控制. 96
5.4.4 分級預警機制. 97
5.5 BMS的均衡管理. 97
5.5.1 均衡策略. 98
5.5.2 均衡電路. 99
5.6 BMS可靠性設計及發(fā)展趨勢. 101
5.6.1 BMS 可靠性設計. 101
5.6.2 BMS 發(fā)展趨勢. 103
參考文獻. 103
第6 章 多能源耦合車載儲能系統(tǒng)配置及管理.105
6.1 多能源耦合車載儲能系統(tǒng)應用工況提取. 105
6.1.1 工況提取的方法. 105
6.1.2 案例分析. 109
6.2 多能源耦合列車動力系統(tǒng)仿真. 114
6.2.1 EMR概述. 115
6.2.2 物理系統(tǒng)的EMR 描述. 115
6.2.3 控制系統(tǒng)的EMR 模型. 123
6.2.4 案例分析. 129
6.3 多能源耦合車載儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置及能量管理. 134
6.3.1 多能源耦合車載儲能系統(tǒng)能量管理. 134
6.3.2 優(yōu)化配置及能量管理策略方法. 141
6.3.3 優(yōu)化配置及能量管理策略模型. 142
6.3.4 優(yōu)化算法. 144
6.3.5 案例分析. 147
參考文獻. 150
第7 章 鋰離子動力電池數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析.153
7.1 電池數(shù)據(jù)分析的目標和作用. 153
7.1.1 電池數(shù)據(jù)分析的目標. 153
7.1.2 電池數(shù)據(jù)分析的作用. 154
7.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)構架. 156
7.3 電池數(shù)據(jù)分析應用案例. 160
7.3.1 快速容量差異辨識方法（一致性分析）. 160
7.3.2 基于歷史數(shù)據(jù)的電池容量評估和預測（容量估計）. 168
7.3.3 基于離群點檢測的異常電池診斷（安全預警）. 177
參考文獻. 179
第8 章 車載儲能系統(tǒng)測試與評價技術.181
8.1 車載儲能系統(tǒng)測評方法. 181
8.1.1 測評標準的體系架構. 182
8.1.2 測評標準的關鍵指標. 185
8.1.3 測評標準的重點問題. 187
8.2 車載儲能系統(tǒng)鋰離子電池單體/模塊電池測試. 188
8.2.1 標準試驗. 190
8.2.2 安全試驗. 191
8.2.3 工況驗證試驗. 192
8.3 車載儲能系統(tǒng)鋰離子電池包和系統(tǒng)測試. 196
8.3.1 標準試驗. 197
8.3.2 安全試驗. 199
8.3.3 工況驗證試驗. 200
8.3.4 主要試驗設備. 203
8.4 車載儲能系統(tǒng)管理系統(tǒng)測試. 209
8.4.1 狀態(tài)參數(shù)測量精度測試. 209
8.4.2 絕緣性能測試. 210
8.4.3 環(huán)境適應性測試. 211
8.4.4 狀態(tài)估算測試. 214
8.4.5 均衡測試. 217
8.4.6 阻燃測試. 218
8.5 車載儲能鋰離子電池系統(tǒng)評估. 218
8.5.1 能量評估. 219
8.5.2 功率評估. 223
8.5.3 工況壽命評估. 224
參考文獻. 225
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