一种用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统的制作方法

1.本实用新型涉及铁路冷链物流载运装备技术领域，具体涉及一种用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统。


背景技术：

2.铁路冷链物流载运装备正向着智能化和绿色化方向发展，鼓励在冷藏运输中使用先进的节能和控制技术。针对铁路冷链载运装备以柴油发电机供电为主，装备智能化不足的问题，铁路领域正积极研究采用锂电池供电等新式供电方法的冷藏集装箱，搭配远程故障诊断及测控功能，降低铁路运输能耗，提升铁路冷链载运装备智能化，更好地满足冷链物流市场对时效性和成本效益方面的要求。
3.锂电池是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的电池。锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。相较于传统铅酸电池、镍镉电池和硅能蓄电池等种类，锂电池具有以下优势：
4.(1)能量密度高。单位重量或体积储存能量明显高于传统蓄电池，目前锂电池重量能量密度达到280wh/kg，体积能量密度达到700wh/l，超过铅酸电池和镍镉电池此参数的5倍，能够适应铁路车辆的储能电池容量、重量和体积需求；(2)循环寿命长。锂电池以1c(1c表示1小时荷电状态从0充电至100％或从100％放电至0所需电流)进行深度100％的充放电，最高循环寿命可以达到10000次，铅酸电池循环寿命通常为600次，镍镉电池为800次；(3)电压平台高。锂电池单体标称电压为2.3v～3.7v，铅酸电池为2.0v，镍镉电池为1.2v；(4)充放电倍率大。锂电池充放电倍率最高可以达到20c，能够适应铁路车辆动力电池的倍率需求；(5)自放电率低。锂电池自放电率为2～5％/月，铅酸电池为不超过3％/月，镍镉电池为15～30％/月；(6)高低温适应性强。锂电池可以在-20℃～60℃的环境下使用，增加热管理系统后，可以在-40℃环境下使用；(7)绿色环保。锂电池生产、使用和报废时，不产生、不含有铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
5.一台锂电池供电的铁路冷藏集装箱由冷藏集装箱箱体、制冷系统和锂电池系统三部分组成，其中锂电池系统包括一个或一个以上电池包、电池管理系统、高压电路、低压电路和电池架等。现有铁路冷藏集装箱供电用锂电池系统设计方法采用电动汽车动力用锂电池的设计方法，未考虑应用在铁路冷藏集装箱上时的维护问题，电池包组装时必须使用吊装机械，如需检修或更换件，需要将整个锂电池系统从集装箱中拆下，无法单独对单个电池包进行维护。因此，现有铁路冷藏集装箱锂电池系统的运用和检修过程中作业量大、作业条件要求高。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的问题，本实用新型实施例提供一种用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
7.本实用新型提出的一种用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统，包括：竖向设置的电池架、以及至少两个电池包；所述电池架上设置有电池包安装位，各所述电池包安装位上设置有滑轨，所述电池包沿所述滑轨安装在所述电池包安装位上，并通过紧固件与所述电池架固定，其中，连接所述电池包与所述电池架的紧固件设置在所述电池架的维护侧。
8.可选的，所述电池包远离所述紧固件的一侧设置有插销，所述电池架远离所述维护侧的一侧设置有插销孔，在所述电池包沿所述滑轨安装在所述电池包安装位上时，所述电池包上设置的插销插入所述电池架上设置的插销孔中。
9.可选的，所述电池包上设置有把手。
10.可选的，所述电池包的重量为81kg～83kg；所述电池包的长度为700mm～750mm，宽度为400mm～460mm，高度为160mm～240mm。
11.可选的，所述电池包正负极间的电压在安全电压范围内。
12.可选的，所述电池包上的线束接口设置在所述电池包靠近所述电池架维护侧的一端。
13.可选的，所述锂电池系统还包括高压盒，所述电池架上设置有高压盒安装位，所述高压盒安装在所述高压盒安装位上，且所述高压盒上的线束接口设置在所述高压盒靠近所述电池架维护侧的一端。
14.可选的，所述高压盒上的线束接口以及所述电池包上的线束接口通过具有快拆功能的连接器与控制、通信或功率线束相连。
15.可选的，所述电池架包括至少两列电池包安装位，每列电池包安装位上安装的电池包串联为一个电池簇，各电池簇之间相互并联。
16.可选的，所述电池架上包括两列电池包安装位，还包括设置在所述两列电池包安装位之间的可配置安装位。
17.本实用新型实施例提出的一种用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统，通过在电池包安装位上设置滑轨，使得每个电池包可以通过抽拉的方式进行安装或拆卸，并通过设置在所述电池架维护侧的紧固件连接所述电池包和所述电池架，进一步方便了电池包的固定和拆卸；从而方便了所述锂电池系统在铁路冷藏集装箱上的运用和检修。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
19.图1是本实用新型一实施例提供的用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统的结构示意图。
20.图2是本实用新型一实施例提供的电池架的结构示意图。
21.图3是本实用新型一实施例提供的电池包的结构示意图。
22.图4是本实用新型一实施例提供的电池包安装位的俯视图。
23.图5是本实用新型一实施例提供的电池包的另一方向的结构示意图。
24.图6是本实用新型一实施例提供的电池包安装在电池安装架上的结构示意图。
25.图7是本实用新型一实施例提供的电池包的主视图。
26.图8是本实用新型一实施例提供的高压盒的主视图。
27.图9是本实用新型一实施例提供的锂电池系统的主电路拓扑图。
28.图10是本实用新型一实施例提供的锂电池系统的工作流程图。
具体实施方式
29.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
30.图1是本实用新型一实施例提供的用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统，如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统，包括竖向设置的电池架1、以及至少两个电池包2；
31.电池架1上设置有电池包安装位11，各电池包安装位11上设置有滑轨111，电池包2沿滑轨111安装在电池包安装位11上，并通过紧固件与电池架1固定，其中，连接电池包2与电池架1的紧固件设置在电池架1的维护侧。
32.本实施例，所述锂电池系统可由电池包、高压盒、线束和电池架组成。电池包通过一定形式的串联，用以提供系统额定电压，再通过一定形式的并联，用以提供系统额定能量。高压盒为电池管理系统、分断系统主回路的开关器件、主回路的过流保护器件、主回路电流和电压传感器和输入输出接口等的总成。线束主要包括高压连接线束和低压线束，高压线束包括连通电池包、高压盒和高压输入输出接口，组成锂电池系统主回路的线束；低压线束包括连通电池包、高压盒和低压输入输出接口，用于锂电池系统通信和控制的线束。电池架用于固定锂电池系统的各个组成部分，并与铁路冷藏集装箱焊接固定。
33.由于受到铁路冷藏集装箱结构限制，锂电池系统通常只能从一个方向进行操作、安装、拆卸和维护，可将此方向称作锂电池系统的维护方向，所述电池架的维护侧朝向所述锂电池系统的维护方向。所述电池包在所述滑轨上通过抽拉的方式插入电池架上的电池包安装位，并通过紧固件固定在电池架上，具体的，所述紧固件可以为螺栓，如图3和图4所示，电池包2靠近电池架1维护侧的一端可以设置有至少一个第一紧固件孔21，电池架1的维护侧设置有与所述第一紧固件孔21相对应的第二紧固件孔12，所述螺栓的其中一端穿过所述第一紧固件孔21以及第二紧固件孔12与螺母连接，从而实现电池包2与电池架1的固定。
34.本实用新型实施例提供的用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统，通过在电池包安装位上设置滑轨，使得每个电池包可以通过抽拉的方式进行安装或拆卸，并通过设置在所述电池架维护侧的紧固件连接所述电池包和所述电池架，进一步方便了电池包的固定和拆卸；从而方便了所述锂电池系统在铁路冷藏集装箱上的运用和检修。
35.如图4和图5所示，可选的，电池包2远离紧固件的一侧设置有插销3，电池架1远离所述维护侧的一侧设置有插销孔13，如图6所示，在电池包2沿滑轨111安装在电池包安装位11上时，电池包2上设置的插销3插入电池架1上设置的插销孔13中。
36.本实施例，电池包远离紧固件的一侧可称为电池包的背侧，电池包背侧通过插销与电池架上的插销孔进行配合固定；所述插销的轴线水平，垂直插入所述插销孔中，这样，
解决了电池包的背侧难以与电池架固定的问题，便于电池包的安装及维护。
37.如图4和图6所示，电池架1上还可以设计轨道止挡14，轨道止挡14设置在电池包安装位11的两侧，用于对电池包2进行限位；电池包2在插入电池架1上电池安装位11后，通过紧固件、插销和轨道止挡14固定在电池架1上。电池包2通过抽拉方式，从电池架1维护侧进行安装或拆卸。
38.如图3和图5所示，可选的，电池包2上可以设置有把手22。把手22可以用于电池的辅助安装和拆卸。
39.可选的，所述电池包的重量可以为81kg～83kg；所述电池包的长度可以为700mm～750mm，宽度可以为400mm～460mm，高度可以为160mm～240mm；所述电池包正负极间的电压在安全电压范围内。
40.本实施例，电池包小型化和轻量化的设计方式，每个电池包的尺寸和重量可控制在满足2～3人徒手安装或拆卸的范围，小型化电池包正负极间的电压较低，可以设计为安全电压(≯dc36v)范围以内，提高提高维护人员的操作安全性。举例而言，所述电池包的尺寸为717mm
×
437mm
×
194.5mm，重量为82kg。电池包小型化和轻量化的设计方式，具有如下有益效果：
41.(1)安全性
42.由于锂电池电极和电解质材料活泼，一旦电池单体防护失效，电极和电解质材料与空气接触，会发生剧烈的化学反应，放出大量热量和气体，严重情况下引燃电池包内其他电池单体，引发起火爆炸。本实施例采用小型化的电池包，减少了电池包内的电池单体数量，降低了电池包的总能量，大大降低了小型化电池包发生热扩散的风险，提高了安全性。
43.(2)可靠性
44.锂电池的电化学特性具有较高的温度敏感性，电池的内阻、充放电倍率和能量等参数受温度影响大。电池工作时会产生热量，电池包内部热量如果无法及时扩散，造成热量堆积，将造成电池包从几何中心到外壳的温度梯度，影响电池包热一致性，进而影响电池系统的寿命。电池包体积越小，热一致性相对越好，其他条件一样的情况下，电池包寿命相对越长。
45.(3)可维护性
46.本实施例采用的小型化电池包便于维护，对维护场地、设备没有特殊要求，具备仅通过人力就能够完成拆卸或安装的条件，能够适应铁路冷藏集装箱的运用和检修。如发生电池故障，可快速完成备件更换。如电池包发生故障，更换前需将电池包备件的荷电状态(state of charge，下称“soc”)调整为与系统中其他电池包soc一致，否则将造成电池系统电池包一致性变差。小型化电池包的能量较少，使用相同功率的充电机调整soc，所需时间较短。
47.如发生电池故障且现场不具备更换备件的条件，可使用专用的短接线，旁路故障电池包，并且旁路并联支路中的一个电池包。因为小型化电池包的电压较低、能量较少，系统的电压仍满足负载使用，冷藏集装箱的制冷系统可以继续运行。旁路故障电池包后，锂电池系统的能量降低，具备更换备件的条件后，锂电池系统电压和能量恢复。
48.(4)经济性
49.本实施例采用的小型化电池包，有利于提高锂电池系统的经济性。铁路行业对于
载运装备故障处理的时效性要求较高，导致铁路装备运用部门和制造厂家贮存电池包以及其他关键零部件的备件，根据电池行业的经验，电池包备件费用超过总备件费用的95％。小型化电池包可以大大降低电池包备件的费用，降低铁路冷藏集装箱及锂电池系统的运用成本。
50.如图3所示，可选的，电池包2上的线束接口设置在电池包2靠近电池架1维护侧的一端。
51.本实施例，电池包的线束接口可以包括控制、通信和功率线束接口，所述线束接口均设置在电池包靠近电池架维护侧的一端，便于与线束进行连接或拆卸。如图7所示，所述电池包上设计的接口可包括正极接口27、通讯口23、泄气阀24、加热口25、负极接口26。
52.如图1和图2所示，可选的，所述锂电池系统还包括高压盒4，如图电池架1上设置有高压盒安装位15，高压盒4安装在高压盒安装位15上，且高压盒4上的线束接口设置在高压盒4靠近电池架1维护侧的一端。如图8所示，所述高压盒上设计的接口可包括负极接口41、负极接口42、通讯口43、通讯口44、加热口45、加热口46、总负极47、msd口48、总正极49、慢充口50、空调供电口51、外部通讯口52、正极接口53、正极接口54、dcdc供电口55。
53.本实施例，高压盒的线束接口可以包括控制、通信和功率线束接口，高压盒的线束接口设计在便于维护的方向上，用以实现电池系统与集装箱间、高压盒与电池包间的线束最优布局，具有较好的可维护性。
54.可选的，高压盒4上的线束接口以及电池包2上的线束接口通过具有快拆功能的连接器与控制、通信或功率线束相连。
55.本实施例，电池包以及高压盒的线束连接器选用了具有快拆功能的连接器，当需要对单个电池包或者高压盒进行检修时，可在电池系统断开与负载的高压连接后，不使用工具条件下断开线束连接器，方便开展检修作业。
56.如图1和图2所示，可选的，电池架1可以包括至少两列电池包安装位11，每列电池包安装位11上安装的电池包串联为一个电池簇，各电池簇之间相互并联。本实施例，每列电池包安装位上的电池包依次串联，并与其他列的电池包并联，这种连接方式有利于电池包的检修。
57.如图1和图2所示，可选的，电池架1上包括两列电池包安装位11，还包括设置在所述两列电池包安装位11之间的可配置安装位16。
58.本实施例，电池架1中间部分设置的可配置安装位16为用户可配置空间，用于安装集装箱控制器等用户设备。本实施例提供的用于铁路冷藏集装箱供电的锂电池系统具体设计方法与铁路冷藏集装箱的制冷器选型相关，以图1和图2所示为例，详细说明其中一种情况，锂电池系统由30个电池包和1个高压盒组成，15个电池包串联为1个电池簇，2个电池簇并联组成电池系统，2个电池簇左右对称布置在电池架上，高压盒通过螺栓固定在电池架顶部。
59.针对上述结构，如图2所示进行仿真计算，模拟锂电池系统安装在铁路冷藏集装箱中的工况，验证锂电池系统强度满足铁路冷藏集装箱工况需求，其中：
60.约束工况：按照轨道机车车辆设备的实际安装情况，全约束图中箭头a所示的9条焊接边；
61.激励工况：在fe模型的约束耦合点上分别加载x/y/z三个方向上的单位加速度激
励，使用optistruct计算模型的模态频响分析；
62.疲劳工况：根据gb/t 21563-2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》要求，1类b级设备应在x/y/z三个方向各自完成5小时的振动试验，其总试验达到15小时。在疲劳软件里面结合单位加速度激励模态频响应力结果文件，分别在x/y/z三个方向上加载asd加速度曲线，并施加持续时间5小时。
63.仿真结果锂电池系统总成各部分疲劳损伤结果均小于1，可验证满足振动疲劳要求。
64.本实用新型一实施例提供的锂电池系统的主电路拓扑如图9所示，主电路主要分为两部分，一部分是高压盒内部的电池管理系统(下称“bms”，battery management system)主机、主回路上的继电器、熔断器、电流、电压传感器和输入输出接口等；一部分是由30个电池包及其配套的采样电路组成。由于采样电路是bms的重要组成部分，承担了部分电池包控制和保护功能，且受bms主机的控制，因此称为bms从机，bms从机集成在锂电池包的箱体内。
65.本实施例的bms具有以下基本功能：
66.1.总电压和总电流采样；
67.2.绝缘检测，实时检测高压正、负极端对集装箱之间的绝缘阻抗；
68.3.电池荷电状态(soc)和健康状态(soh，state of health)估算功能；
69.4.每个bms从机实时监测电池单体电压和电池包温度；
70.5.具备三路can通信功能，分为内部通信网络、外部通信网络和充电通信网络：内部通信网络负责传输bms主机、从机之间通信和诊断系统数据；外部通信网络负责与集装箱控制器等信息交互；充电通信网络负责与充电桩交互。
71.6.具有故障诊断功能，包括温度、电压、电流、绝缘、继电器状态、熔断器、传感器、通信等故障诊断；
72.7.电池系统安全管理功能，包括电池系统过充、过放、过流、过热、电压差、温差等保护；
73.8.具有均衡功能，能够自动均衡电池包内各单体的电压。
74.锂电池系统工作流程如图10所示，具体如下：
75.1.锂电池系统初始状态为下电状态，bms工作在低功耗模式下，继电器主触点断开，电池系统与负载断开；
76.2.当锂电池系统接收到集装箱控制器的唤醒指令或者充电桩的唤醒指令后，锂电池系统进入上电状态，bms对系统状态进行自检，如无异常进入待机状态，否则根据故障情况进行保护；
77.3.当锂电池系统正负极与充电桩连接时，bms的充电通信网络与充电桩连接，系统工作在充电模式下。本实用新型的锂电池系统根据gb/t-27930-2015《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》附录a规定的充电流程进行充电；
78.4.当锂电池系统断开与充电桩的连接时，如集装箱控制器无控制指令，系统工作在待机模式下；
79.5.当锂电池系统接到集装箱控制器的放电指令时，锂电池系统进入放电流程，闭合负线继电器，根据集装箱控制器的指令进行放电。完成放电后断开负线继电器，进入待机
模式。
80.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
81.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。