基于復雜線路的混合動力系統動力性能分析

石俊杰，李 明，邵 楠

（唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北唐山063035）

基于復雜線路的混合動力系統動力性能分析

石俊杰，李 明，邵 楠

（唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北唐山063035）

新能源有軌電車在現代城市中應用日益廣泛。為保護城市景觀，避免視覺污染，國內多個城市開始規劃包含無電網區域的有軌電車線路。針對北京西郊線左線的復雜線路，開發了基于復雜線路的混合動力系統仿真軟件，充分考慮了車輛參數、電源參數、線路參數等影響因素，分析了100%低地板輕軌車輛的混合動力系統的動力性能，包括起動加速度、運行速度、行駛里程、電池和超級電容的能量消耗等。通過對該混合動力系統的動力性能進行仿真分析，得出該混合動力系統符合西郊線動力性能的要求。

混合動力；蓄電池；超級電容；動力性能

近年來，國內多個城市開始規劃建設有軌電車，并在重要區段設置無電網區域，以保護城市景觀。通過對儲能技術和智能化控制策略的研究［1］，實現軌道交通節能、環保、安全、可靠的目標，是各國人民共同努力的方向。世界各國都在積極探索開發新能源及車輛設計技術，促進人類、環境、車輛三者友好協調發展，新能源必然成為未來有軌電車發展的趨勢［2］。其中，混合動力列車（動力電池＋超級電容）具有環保、高效、可持續發展等優點，大大降低了能源消耗，減少有害物質的排放。當前我國環境問題、能源問題日趨嚴重，節能減排刻不容緩，在城市中規劃建設新能源有軌電車對節能減排有重要的影響。因此，為達到節能減排的目的，研究混合動力列車的動力性能對列車的運行工況設定有著重要的意義。

本文從混合動力系統設計原理出發，對100%低地板混合動力系統的動力性能進行研究，得到滿足北京西郊線輕軌車動力性能需求的混合動力系統配置方案。

1 100%低地板車輛混合動力系統設計

2013年4月唐山軌道客車有限責任公司（簡稱：唐車公司）研制的100%低地板輕軌車成功下線，該車首次將裝載超級電容和動力電池的混合動力系統納入到城軌車輛中。該系統采用模塊化設計，包括2個雙向DC/DC斬波器、1個超級電容箱（含能量管理系統）和1個蓄電池箱（含能量管理系統）。當進入有電區時，電源箱將750 V DC網壓轉換成兩路480 V DC電壓分別給蓄電池、超級電容充電。當進入無電區時，電源箱可以將超級電容、蓄電池的電壓轉換成750 V DC電壓給車輛主變壓器或輔變壓器系統供電，保證車輛的正常運行。其簡單主電路原理圖如圖1所示。

圖1 混合動力系統原理圖

目前，常用的儲能部件主要有以下幾種類型。

（1）超級電容［3］：功率密度高，具備快充快放電特性，能滿足高加速度所需功率，可實施制動能量高效回收。

（2）動力電池［4］：能量密度高，具備持續放電特性，能滿足長距離運用所需能量，可實施制動能量適度回收。

（3）燃料電池［5］：具有效率高的特征，且無污染、可再生，能滿足長時長距運用所需。

（4）超級電容和動力電池混合動力電源［6］：綜合利用超級電容和蓄電池儲能部件的優點，實現長時間長距離和較高速度的運用。

對比以上幾種儲能部件的應用特點，本文選用超級電容和動力電池混合動力系統電源，以提高車輛運行的動力性能和設備使用安全性、可靠性。

2 混合動力系統仿真平臺

由于各個城市區域現狀、規劃方案、地形、地質、文物分布及道路寬度的不同，不同區域對軌道交通線路的要求不同。針對城市地面軌道交通線路復雜多樣的情況，唐車公司編制了適合于各種線路情況和供電情況的混合動力列車運行仿真軟件。該軟件考慮了車輛參數、混合動力系統電源配置方案、線路信息、輔助能耗、坡道阻力等，可針對不同的線路情況對混合動力系統的性能進行設計與分析，包括任一時刻的速度、加速度、功率需求，牽引力需求，動力電池的能量消耗情況，超級電容的能量消耗情況等，從而對車載混合動力電源系統進行合理的匹配設置。

針對北京西郊線的線路情況，利用該混合動力系統仿真軟件對100%低地板輕軌車輛的混合動力系統性能進行仿真分析，使該混合動力系統滿足運行需求。

3 混合動力列車的動力性能分析

3.1 動力性能指標參數

在復雜線路上（如有網區和無網區混合交錯線路、上坡道和下坡道交替線路、曲線線路等），混合動力系統的配置情況與混合動力列車運行性能好壞有著直接的聯系。評價混合動力列車運行好壞的動力性能指標有行駛速度、行駛里程、起動加速度、爬坡能力、蓄電池SOC（State Of Charge電池的荷電狀態）、超級電容SOE（State Of Energy超級電容的能量狀態）、制動回饋能力等。本文分析的100%低地板輕軌車的主要動力性能指標如表1所示。

表1 100%低地板輕軌車的主要動力性能指標

3.2 車輛參數

車輛參數包括列車的基本參數、電氣設備參數、阻力參數等。列車的基本參數主要包括整車質量、車輪滾動半徑、機械傳動系統效率、變速器傳動比。電氣設備參數包括電機額定功率、電機效率、逆變器效率、DC/DC變流器效率和整車輔助功率。100%低地板輕軌車的具體車輛參數如表2所示。

3.3 電源參數

電源參數主要包括動力電池參數、超級電容參數、電網參數和電源控制方式參數。動力電池參數主要包括單體動力電池的額定電壓、額定容量、初始SOC、額定放電倍率、電池配置數量等。超級電容參數主要包括單體超級電容的額定容量、額定電壓、初始SOE、截止工作SOE、最大放電電流、最大充電電流和電容配置數量等。電網參數包括母線電壓和母線最大電流。電源控制參數是供電方式的選擇，包括單DC/DC切換供電和雙DC/DC混合供電。

表2 100%低地板輕軌車車輛主要參數

針對北京西郊線的具體線路情況，本文采用的電源主要參數如表3所示。

表3 100%低地板輕軌車電源參數

3.4 線路參數

線路數據包括線路總體數據、車站長度、坡道數據、水平曲線半徑、停站時間等，根據西郊線的具體線路情況，表4為北京西郊線左行線路上的站點及停站信息。

表4 西郊線左行線路站點信息

北京西郊線左線香山站至巴溝站線路屬于復雜線路，為無網區＋有網區＋無網區交錯線路，且香山站至植物園站之間和頤和園西門站至巴溝站之間為無網區，其余站點之間為有網區，具體的線路數據加載界面如圖2所示。

圖2 西郊線左行線路信息

3.5 仿真分析

針對北京西郊線左線的復雜線路（有網區＋無網區＋有網區），分析車輛混合動力系統的動力性能。其中，無論是無網區還是有網區，在站臺長度范圍內都是有電網存在的。在無網區，利用站臺長度范圍內的電網對車輛進行起動加速，即利用站臺加速；反之，不利用站臺長度范圍內電網提供動力，而是直接利用混合動力電源箱對車輛進行起動加速，即不利用站臺加速。本文分別分析了利用站臺加速和不利用站臺加速的兩種方案下，車輛的混合動力系統的動力性能。

3.5.1 利用站臺加速

根據北京西郊線的線路要求，在AW3工況下，期望列車的速度為50 km/h，經過仿真分析得出，在整個線路運行過程中，列車的速度、加速度、動力電池SOC和超級電容SOE的時程曲線，具體如圖3～圖6所示。

由圖3～圖6可以得出：

（1）在香山站至植物園站的無網區域，考慮站臺加速，列車的最大運行速度可達50 km/h。由于頤和園南門至巴溝站之間為無網區域，存在坡度為4%的坡道，導致運行阻力比較大，列車的最低速度不足10 km/h，持續時間約為30 s，繼而車輛繼續加速行駛，滿足運行要求。

（2）由圖5中SOC時程曲線可以看出，在整個線路中的無網區域內，共消耗動力電池的能量約為20%，滿足動力電池不能深度放電的要求（根據試驗數據經驗，在3C放電倍率下，電池臨界SOC一般為20%），保證了電池有較高的使用壽命。

車輛進站停站后，對超級電容進行充電；在有網區內，通過受電弓從電網上取電，維持車輛的運行性能。100%低地板輕軌車輛的混合動力電源系統性能良好，滿足西郊線的動力性能要求。

圖3 列車速度時程曲線

圖4 列車加速度時程曲線

圖5 SOC時程曲線

圖6 SOE時程曲線

3.5.2 不利用站臺加速

根據北京西郊線左線的線路要求，在AW3工況下，期望列車的速度為50 km/h，經過仿真分析得出，在整個線路運行過程中，列車的速度、加速度、動力電池SOC和超級電容SOE的時程曲線，具體如圖7～圖10所示。

圖7 列車速度時程曲線

圖8 列車加速度時程曲線

圖9 SOC時程曲線

圖10 SOE時程曲線

由圖7～圖10可以得出：

（1）起動加速時，超級電容能將車輛加速至32 km/h，后續靠電池加速至50 km/h，由于加速度很低，加速時間相對較長。

（2）由圖9可以得出，在頤和園南門和巴溝站之間的無網區域內，存在坡度為4%的坡道，不考慮站臺加速，列車的最低速度不足5 km/h，持續時間約為60 s，使車輛無法正常行駛，不滿足運行要求。

（3）由圖9中SOC的時程曲線可以看出，在整個線路中的無網區域內，共消耗的動力電池容量約為30%，動力電池的容量消耗較大，對電池的使用壽命有很大影響。其中，電池電壓低于放電終止電壓后繼續放電，即為深度放電，嚴重影響電池的壽命。

3.5.3 兩種方案對比分析

對比圖3至圖10的數據曲線結果，可以得出：

（1）由圖3和圖7可知，在無網區段，利用站臺加速情況下，超級電容可將速度提高到50 km/h；在不利用站臺加速的情況下，超級電容可將速度提高到32 km/h；結合圖9和圖10可知，在不利用站臺加速的情況下，需消耗超級電容45%的能量和動力電池2%的能量才能將速度提高至50 km/h。

（2）由圖5和圖9可知，在整個線路運行過程中，利用站臺加速消耗動力電池的容量約為20%，不利用站臺加速消耗動力電池的容量約為30%，即利用站臺加速可以減少動力電池能量的消耗。

（3）利用站臺加速的方案，電池始終維持在淺充淺放工況，保證了電池具有較長的使用壽命，使得混合動力系統的動力性能和可靠性更佳，且保證了車輛更長的無網區續駛里程。

4 結束語

利用混合動力列車仿真平臺，分析了復雜線路上（有網區＋無網區＋有網區），100%低地板輕軌車混合動力系統在利用站臺加速和不利用站臺加速兩種方案下車輛的動力性能，通過對兩種方案的分析比較，最終采用利用站臺加速的方案，來滿足北京西郊線動力系統的性能要求。

在100%低地板輕軌車車輛運行的整個過程中，采用站臺加速的方案，可使車輛提高到較高速度的同時，又減少了動力電池和超級電容的能量消耗，使動力電池和超級電容都維持在較好的工作狀態?；旌蟿恿ο到y充分利用了超級電容快充快放的特點，在車輛停站的時間內對超級電容進行充電，滿足車輛的動力性能；動力電池的充放電狀態始終維持在淺充淺放工況，提高了電池的循環使用次數，保證了電池具有較長的使用壽命。

［1］ 劉友梅.軌道電力牽引新能源策略的思考［J］.電力機車與城軌車輛，2012，35（5）：1-4.

［2］ 繆小明，趙 靜.基于突破性創新視角的我國新能源汽車產業技術軌道研究［J］.科技管理研究，2013，8（1）：1-4.

［3］ 聶晶鑫，郭育華，夏 猛.超級電容儲能裝置在城市軌道交通中的應用［J］.電氣化鐵道，2011，2（12）：48-50.

［4］ 黃學杰.軌道交通領域鋰離子動力電池應用初探［J］.電力機車與城市車輛，2012，35（5）：21-25.

［5］ 問朋朋，黃明宇.燃料電池車發展概況及展望［J］.電源技術，2012，36（4）：596-598.

［6］ 陳 靜，王登峰，劉琳娜.燃料電池—蓄電池一超級電容混合動力汽車控制策略［J］.農業機械學報，2008，39（10）：36-39.

Analysis on Dynamic Performance of Hybrid Power System of Complex Railway

SHI Junjie，LI Ming，SH AO Nan
（R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

The new energy city trams are widely applied day by day in modern cities.Many cities began planning the lines in areas without catenary in order to protecting urban landscape and avoiding visual pollution.In this paper，the hybrid power system simulation software was developed，which was based on complex line of left line in the western suburbs of Beijing.The dynamic performance of 100%low-floor LRV was analyzed，including the starting acceleration，speed，mileage，battery and super capacitor energy consumption，which took the vehicle parameters，power supply parameters，line parameters and other factors into account.Through simulation analysis of the dynamic performance，the hybrid power system meets the requirements of dynamic performance of line in the western suburbs of Beijing.

hybrid power；storage batteries；super capacitor；dynamic performance

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.14

1008－7842（2014）03－0057－05

3—）女，工程師（

2013－12－03）