儲能移動式充電裝置設計

(中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

低碳、綠色、智能的交通系統(tǒng)已越來越受到世界各國的支持和推廣，其中，儲能式現(xiàn)代有軌電車以其能耗小、線路投資低、無需架設供電網(wǎng)線的特點，近年來得到我國多地區(qū)的大力推廣及認可?，F(xiàn)有的儲能式有軌電車供電方式均是利用停站的時間，通過地面充電系統(tǒng)為車輛充電，一旦地面充電系統(tǒng)發(fā)生故障，將影響車輛運營。因此，需要一種能夠暫時替代地面充電系統(tǒng)的一種快速充電的移動式充電裝置。本文介紹了一種儲能移動式充電裝置，該充電裝置能在地面充電系統(tǒng)發(fā)生故障時，在較短的時間內(nèi)為車輛補充電能，使其安全可靠的運行至下一站。

1 系統(tǒng)概述及原理

1.1 系統(tǒng)概述

儲能移動式充電裝置采用柴油機和混合型超級電容(電池電容)混合充電方案，主要由柴油發(fā)電機組、電池電容模組、AC/DC模塊、DC/DC模塊組成。儲能移動式充電裝置通過發(fā)電機將化石能量轉化為三相交流電能，然后經(jīng)三相不可控二極管整流器整流后，轉化為直流電源，再經(jīng)過直流降壓斬波器輸出給超級電容。

當有軌電車未進站時，柴油發(fā)電機組通過AC/DC模塊為電池電容模組進行充電；當有軌電車進站時，柴油發(fā)電機組和電池電容模組同時給有軌電車車載超級電容充電，由于電池電容短時大功率輸出特性，有軌電車車載超級電容能在短時內(nèi)將能量充滿。

1.2 基本原理

儲能移動式充電裝置主電路結構框圖如圖1。

圖1 儲能移動式充電裝置原理框圖

1.3 主要技術參數(shù)

發(fā)電機組電壓：3AC800 V

電池電容單體容量：60 000 F

電池電容組成：采用48個模組串聯(lián)組成，每個模組3并6串

電池電容存儲能量為：43.2 kWh

電池電容柜電壓：DC720 V-DC950 V

移動充電裝置充電電壓：DC0-DC900 V

移動充電裝置最大充電電流：DC0-DC1 200 A

2 結構設計

儲能移動式充電裝置外形采用箱體設計，整個箱體分為3個腔體，前段兩側為發(fā)電機和電池電容柜，后端為充電柜，以及輸出正負極、接地線的接線盤。充電裝置外形尺寸約為：5 000 mm×2 300 mm×2 800 mm，如圖2所示。整套充電裝置可固定安裝在中型卡車上，便于移動運輸。

圖2 儲能移動式充電裝置外形

如圖3所示，前部柴油發(fā)電機組與電池電容柜重量各為2 500 kg，分在兩側，平衡左右兩側重心，中間為550 mm的檢修通道。后端為充電柜，充電柜重量為1 500 kg，輸出正負極、接地線的接線盤安置在充電柜側邊。整套充電裝置的重量約為7 000 kg。

圖3 儲能移動式充電裝置設備布置圖

3 主要部件

3.1 柴油發(fā)電機組

3.1.1 柴油發(fā)電機組概述

柴油發(fā)電機組由柴油發(fā)動機(引擎)、交流發(fā)電機(電球)和控制系統(tǒng)三大主要部件組成。柴油發(fā)動機是引擎設備，用來發(fā)動整個發(fā)電機組；交流發(fā)電機即電球，用來發(fā)電；控制系統(tǒng)用來控制整個發(fā)電機組的起動、運行和停止。另外，發(fā)電機組還包括控制柜(面板)、開關柜、 散熱水箱、聯(lián)軸器、燃油箱、起動和控制用蓄電池、保護裝置、消聲器及公共底座等組件。

3.1.2 主要技術參數(shù)

柴油發(fā)電機組主要參數(shù)見表1。

表1 柴油發(fā)電機組主要參數(shù)

3.2 電池電容柜

電池電容具有高能量密度、大容量、大電流充放電和長循環(huán)壽命等特點，在車輛未進站時，能夠存儲能量，在車輛進補需要充電時能快速釋放能量與柴油機組一起為車輛超級電容充電。電池電容柜采用單體為60 000 F的電池電容單體，整套電池電容柜由48個模組串聯(lián)組成，每個模組由3并6串單體組成，共存儲電量為43.2 kWh。

3.3 充電柜

充電柜整個系統(tǒng)的主要部件包括輸入熔斷器、主接觸器、預充電接觸器、整流模塊、電容模塊單向DCDC模塊、雙向DCDC模塊、儲能電感、輸出熔斷器和輸出接觸器。充電柜的電氣原理框圖如圖4所示，各部件作用如下。

1)輸入熔斷器用于在系統(tǒng)輸入端進行短路大電流保護。

2)預充電接觸器用于對母線支撐電容進行預充電。

3)主接觸器用于對輸入電進行投入和切除。

4)整流模塊將三相電進行整流，轉化為直流電。

5)電容模塊并聯(lián)在直流母線正負極，起濾波和支撐母線電壓作用。

6)雙向DCDC模塊用于對儲能電源柜進行充放電。

7)單向DCDC模塊用于對電車上的車載電容進行充電。

8)儲能電感用于在進行DCDC變換時進行儲能。

9)輸出熔斷器對模塊和系統(tǒng)進行大電流保護。

10)輸出接觸器用于與充電柜輸出端連接的設備進行投切。

4 充電策略

4.1 電池電容充電時間

柴油發(fā)電機組功率為200 kW，DC/DC模塊為電池電容按恒功率200 kW充電；地面儲能電源一共能存儲43.2 kWh的電量，雙向DC/DC模塊轉換效率97%，則地面儲能電源充滿電共需要43.2 kWh/(200 kW×97%)=13.3 min。

4.2 有軌電車超級電容充電邏輯

車輛在進站時若電壓較低，若以最大功率輸出充電，則輸出充電電流超過DC/DC模塊最大輸出電流。因此，儲能移動式充電裝置采用先恒流輸出，再以最大功率輸出方式充電，實現(xiàn)車載超級電容在較短時間內(nèi)充滿。

圖4 儲能移動充電柜電氣原理框圖

車輛需要充電時，儲能移動式充電裝置會先對車載超級電容進行恒流1 200 A充電，隨著電池電容輸出功率的下降，當達到車載超級電容電壓達到一定值Uc時，充電裝置轉換為發(fā)電機恒功率(200 kW)、地面儲能電容恒流(600 A)輸出的模式，以最大輸出功率為車載超級電容充電，直至車載超級電容達到最高電壓。充電邏輯如圖5所示，車載超級電容充電時的電壓電流曲線如圖6所示。

圖5 車載超級電容充電邏輯圖

圖6 車載電容充電電壓電流曲線

4.3 臨界點的確定

在工作模式切換的臨界點時，車載超級電容充電功率為電池電容功率與柴油發(fā)電機組功率之和。則有：

I1·U1=(U2·I2·η1+P1)·η2

(1)

其中：U1為車載超級電容電壓

U2為電池電容電壓

I1為車載超級電容充電電流

I2為電池電容輸出電流

η1為電池電容輸出效率

η2為儲能移動式充電裝置輸出效率

已知車載超級電容容量C1為192 F；根據(jù)電池電容特性，儲能移動式充電裝置電池電容等效容量C2為868 F。

充電裝置恒流I1=1 200 A給車載電容充電的時間為t1，車載超級電容在t1時間內(nèi)增加的能量為柴油機提供的能量與電池電容提供的能量之和，則有：

(2)

綜合(1)(2)求得從超始電壓500 V充電至工作模式切換臨界點時間t1=16.6 s，有軌電車車載超級電容電壓(臨界電壓)Uc=603.8 V。

因此儲能移動式充電裝置在車載超級電容電壓達到603.8 V時，切換充電模式，由柴油機200 kW功率、電池電容恒流600 A輸出的模式，以最大輸出功率為車載超級電容充電。

5 樣機試驗

為驗證儲能移動式充電裝置樣機的輸出特性，采用分布式測試系統(tǒng)分別對不同工況下的充電站輸出特性進行了測試。表2介紹了分別從各個起始電壓充電的輸出特性，試驗結果滿足有軌電車超級電容快速充電要求。

表2 儲能移動式充電裝置輸出特征參數(shù)

6 結語

中車株洲電力機車有限公司自主研發(fā)的儲能移動式充電裝置，采用具有高能量密度、大功率充放電特點的60 000 F電池電容作為儲能裝置，與柴油發(fā)電機組匹配，解決了有軌電車地面充電裝置故障情況下車載超級電容的快速充電問題。本項目的成功實施，進一步保障了儲能式有軌電車運營的可靠性，具有較強的推廣意義。