儲(chǔ)能式有軌電車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)及其控制策略

王丹梅 尚江傲 周利

摘 要：本文基于電容和電池混合儲(chǔ)能的高能量密度和高強(qiáng)度電流能力的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合線路特征，通過(guò)能量仿真計(jì)算，研究混合供電控制策略，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)全線無(wú)接觸網(wǎng)有軌電車(chē)的續(xù)航能力、運(yùn)行時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性的提升，通過(guò)混合動(dòng)力技術(shù)的研究及驗(yàn)證，以推廣該系統(tǒng)在有軌電車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;超級(jí)電容;電池;儲(chǔ)能式無(wú)接觸網(wǎng)有軌電車(chē);自動(dòng)控制

儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)采用車(chē)載儲(chǔ)能電源，牽引時(shí)儲(chǔ)能電源作為牽引動(dòng)力電源放電;制動(dòng)時(shí)采用全再生制動(dòng)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電源中，提高了能源利用效率。

車(chē)載儲(chǔ)能電源采用超級(jí)電容和電池作為儲(chǔ)能元件，利用超級(jí)電容功率密度大能力密度小，電池功率密度小但能量密度大的特點(diǎn)，研究超級(jí)電容與電池的混合供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能式有軌電車(chē)動(dòng)力性能和儲(chǔ)能增程的要求。可適應(yīng)用戶(hù)線路交通擁堵情況時(shí)的車(chē)輛用能要求及用戶(hù)線路越站不充電要求，提升了運(yùn)行時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性。

1 車(chē)輛基本參數(shù)

1.1 車(chē)輛基本概況

（1）供電型式。區(qū)間無(wú)接觸網(wǎng)，通過(guò)超級(jí)電容和電池混合供電系統(tǒng)提供能量及回收再生能量;車(chē)站設(shè)置接觸軌，通過(guò)受電器受電，并給混合供電系統(tǒng)快速充電。

（2）列車(chē)編組型式。車(chē)輛由五模塊組成，包含2臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和1臺(tái)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。

（3）列車(chē)總重：50.33t/68.57t/73.31t（AW0/AW2/AW3）。

（4）輪徑：650/620/590mm（新輪/半磨耗/全磨耗）。

1.2 車(chē)輛線路條件

以某車(chē)輛用戶(hù)線路情況為例，線路總長(zhǎng)約8.3km，共15個(gè)站。用戶(hù)全線路僅設(shè)置6個(gè)充電樁，車(chē)輛在其他站點(diǎn)無(wú)須充電，且區(qū)間需考慮十字路口等待時(shí)間。

1.3 混合動(dòng)力系統(tǒng)配置

車(chē)輛采用2臺(tái)超級(jí)電容組和1臺(tái)動(dòng)力蓄電池混合供電系統(tǒng)作為儲(chǔ)能電源，蓄電池前端設(shè)置雙向DC/DC，用于蓄電池的充放電控制，實(shí)現(xiàn)全線無(wú)接觸網(wǎng)運(yùn)行。

（1）超級(jí)電容組：額定容量：75F，工作電壓：DC500V-900V，額定電量（單臺(tái)）：5.716kWh。

（2）動(dòng)力蓄電池：額定容量：59.5Ah，工作電壓：448V～604.8V，額定電量總能量：30.6544kWh。

（3）雙向DC/DC變換器：額定功率2×150kW，效率0.95。

混合供電高壓主電路如圖2所示。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

2.1 混合控制策略

2.1.1 牽引工況

混合供電通過(guò)超級(jí)電容優(yōu)先供電，當(dāng)超級(jí)電容低于門(mén)檻值（根據(jù)線路條件確定）時(shí)，雙向DC/DC開(kāi)通，鈦酸鋰蓄電池開(kāi)始投入為車(chē)輛補(bǔ)充能量。

2.1.2 制動(dòng)工況

車(chē)輛制動(dòng)工況時(shí)，再生能量?jī)?yōu)先反饋至超級(jí)電容，超級(jí)電容電壓高于門(mén)檻值（根據(jù)線路條件確定）時(shí)，雙向DC/DC開(kāi)通將再生能量同時(shí)反饋給動(dòng)力蓄電池。

2.1.3 站臺(tái)充電工況

停站充電時(shí)，雙向DC/DC開(kāi)通，地面充電機(jī)同時(shí)給超級(jí)電容和蓄電池充電。線路中間蓄電池按不大于30s充電，僅在終點(diǎn)站利用折返時(shí)間給蓄電池充滿(mǎn)電。

2.1.4 等紅綠燈工況或站臺(tái)不充電工況

當(dāng)車(chē)輛在十字路口等待紅綠燈或車(chē)輛停站不充電時(shí)，雙向DC/DC開(kāi)通控制蓄電池為車(chē)輛輔助系統(tǒng)供電。

2.2 能量仿真計(jì)算

2.2.1 仿真條件說(shuō)明

（1）仿真計(jì)算考慮超級(jí)電容組全壽命周期內(nèi)20%的容量衰減，正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能電源最低放電電壓為DC500V。2組超級(jí)電容組可用能量約為9.146kWh。

（2）動(dòng)力電池按儲(chǔ)存電量為30.65kWh，可用電量2452kWh，額定放電電流360A，額定輸出功率約為180kW。

（3）整列車(chē)輔助功率約50kW。

2.2.2 仿真結(jié)果

根據(jù)上述條件，在1.2章節(jié)中的線路條件進(jìn)行混合供電系統(tǒng)的能量仿真計(jì)算，以校核該電源配置的可行性，能耗仿真結(jié)果如圖1，超級(jí)電容剩余能量仿真結(jié)果如圖2。

由仿真結(jié)果可以看出，車(chē)輛按該混合供電系統(tǒng)方案，滿(mǎn)足用戶(hù)線路僅設(shè)置6個(gè)地面充電樁的要求。蓄電池投入時(shí)的門(mén)檻值建議為DC720V，車(chē)輛完成單程運(yùn)行時(shí)蓄電池消耗能量約為18.67kWh，超級(jí)電容和蓄電池均有剩余能量，其中蓄電池剩余能量可以用于交通擁堵停車(chē)時(shí)間和紅綠燈等待時(shí)間，具有較大余量。

對(duì)比3組超級(jí)電容供電方案，車(chē)輛不限速將無(wú)法滿(mǎn)足線路僅設(shè)置6個(gè)充電樁要求，需至少新增1個(gè)充電樁或者全線路限速50km/h，且均無(wú)十字路口等紅綠燈或交通擁堵時(shí)的能量冗余。3組超級(jí)電容限速50km/h的能量仿真計(jì)算結(jié)果如下：

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究及用戶(hù)線路的仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)能增程的初步驗(yàn)證。該混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合超級(jí)電容功率密度大和蓄電池能量密度大的特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足全線路無(wú)接觸網(wǎng)有軌電車(chē)的動(dòng)力性能和能量需求，并提升了用戶(hù)線路成本、運(yùn)行時(shí)效性。通過(guò)混合動(dòng)力系統(tǒng)與低地板有軌電車(chē)的完美集成，符合有軌電車(chē)這一新型交通工具的“綠色環(huán)?！薄碍h(huán)境友好”等特點(diǎn)，通過(guò)混合動(dòng)力技術(shù)研究，以推廣該種儲(chǔ)能技術(shù)在有軌電車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]CJ/T 417-2012《低地板有軌電車(chē)車(chē)輛通用技術(shù)條件》.

作者簡(jiǎn)介：王丹梅（1990— ），女，漢族，江西樂(lè)平人，本科，工程師，研究方向：城市軌道交通。