超級電容城市軌道列車能量管理系統研究

張玉龍，俞建軍，朱品昌，陳 寧（張玉龍/浙江機電職業技術學院，杭州，310053）

超級電容城市軌道列車能量管理系統研究

張玉龍，俞建軍，朱品昌，陳 寧
（張玉龍/浙江機電職業技術學院，杭州，310053）

結合超級電容特性與城市軌道交通列車以其站間距離短頻繁加速、啟動、制動高負荷大功率運行的特點，給出超級電容等效電路及SOC測量方法，提出超級電容城市軌道列車能量管理方法。利用DC/DC逆變器buck模式與boost模式轉換實現車輛總線電壓在加速、制動時趨于穩定，能量轉移控制過程加入系統通訊故障自處理部分，消弱了高壓強電磁環境干擾影響。

超級電容；軌道交通； DC/DC逆變器；能量回收；故障處理

0 引言

城市人口比例不斷增加，路面交通擁堵愈演愈烈，大運量高密度的城市軌道交通工具地位凸顯。數據顯示，提供城市軌道交通的能量，僅有大約十分之一的能量消耗于輔助列車運行，剩下的城市軌道交通耗能主要集中在啟動和制動階段，其中制動消耗的能量過半。合理的設計列車運行方法，妥善處理制動能量消耗，是實現城市軌道交通節能減排重要途徑。傳統城市軌道列車使用的電力驅動系統采用的變頻調速系統，既變頻電機電流與電壓不同相時器件儲存能反充電源可以實現制動能回收，這種變頻技術極大促進軌道列車制動能回收再利用的發展。這種僅僅依靠電網供電系統應對列車動態工況變化存在一些缺陷，列車在啟動、加速、上坡時需要較大電能支撐消耗較大，城市軌道列車高峰期這種影響直接增加了城市電網負擔。列車在制動和減速等工況時會對電網快速充電，高峰時期電網回收的電能會引起供電電壓增加，所升電壓不及時處理勢必增加網絡電路中能量消耗。

由此，超級電容能量管理系統就是結合城市軌道交通系統，頻繁的啟動、加速、制動特點，優化出一種合理方案。列車啟動加速時釋放所補充所需電壓，減速制動時存儲制動回收的電能。優化超級電容能量管理系統可以起到較好的節能效果，能量回收再利用降低軌道交通系統的運營成本，又減輕了高峰期城市電網負擔。

1 超級電容特性

超級電容利用活性碳多孔電極與電解液組成雙電層結構的雙電層電容器，當兩端加電壓時兩個電極分別正負極化，電解液中正負離子分別游離各自電荷相反的電極而形成兩個集電層，猶如兩個串聯的電容。

A為極板面積，d為介質厚度，C為電容值μF，Uc為電容端電壓。超級電容所存儲能量：

結合式子（1）（2）可知，超級電容儲能能力取決于自身極板面積、介質厚度，活性炭單位質量表面積極大，電極面之間厚度極小，所以超級電容儲能能力突出。極板間電解質離子游動發生的是物理變化，內阻極小這樣特點成就超級電容可以大功率迅速充電放電。

超級電容荷電核量SOC（State of Charge）既超級電容瞬時能量值Ec與其可存儲的最大能量值的比值表示超級電容的核電狀態：

由公式（2）（3）可知：

圖1 超級電容內部等效電路模型

超級電容動態工作過程會受到環境溫度、充放電流、荷電狀態等因素影響，圖1模型雖然難以模擬出超級電容動態特性，但可以簡單反映出超級電容許多特性，計算出超級電容斷路電壓。

圖中顯示為放電過程，充電時電流方向相反，C超級電容容量，U1為輸出電壓，R2等效并聯電阻充放電時對電路影響甚微靜態漏電流v=起作用需R2盡可能大，R1充放電影響總電路應盡可能小。

分析超級電容自身特性，了解超級電容是一個大容量儲能電器元件，具有比功率高，充電放點時間迅速，環保壽命長特性。利用超級電容充電放電迅速與儲能能力可以解決軌道列車供電系統高峰供電壓力與制動能回收升壓問題。

3 控制系統結構原理

絕緣柵雙極晶體管變流器根據軌道列車供電電網電壓的變化向超級電容充電或放電，減速或制動能回收時超級電容存儲電網回收的制動能，加速啟動時超級電容補充供電電網低于設定值的電能。

圖2 絕緣柵雙極晶體管變壓逆變器拓撲圖

如下圖2所示，當列車到站制動時供電電網將制動回收的能量存儲超級電容，DC/DC變換器將較大的直流電轉換為較小直流電并快速充電，進入降波斬波器buck模式。絕緣柵雙極晶體管K2導通，K1關斷，總線電壓想超級電容反饋能量。0〈t〈ton時段，K2導通，總線電壓向電感蓄電；ton〈t時段，K1導通，電感蓄能電流經T1繼續流向超級電容側。

當列車啟動加速牽動供電降至設定最低值時超級電容放電，K1導通，K2閉合，電流由超級電容流向總線電壓側流動。0〈t〈ton時段，K1導通，超級電容向電感蓄電；ton〈t時段，K2導通，電感蓄能電流經T2繼續流向總線電壓側流動。

4 超級電容與總線控制方法

超級電容結合軌道交通列車運行工況的能量控制策略，解決負載供電總線因為列車頻繁啟動加速大功率功能拖低電壓，到站減速與制動能回收引起的電壓升高，這些城市軌道交通頻繁出現的工況引起的總線電壓起伏不穩工況問題，以避免總線高壓波動大電流燒損輔助器件。超級電容為負載總線因加速啟動放電補充額外能量，電壓不低于總電壓的一半，荷電狀態SOC控制在四分之一以上，所以如圖3所示，要對超級電容充放電檢測，保證SOC處于設定的40%-80%理想狀態范圍內，以應對較少情況減速制動能過多而無法回收。同時在超級電容靜態時要考慮自身漏電影響，確保最終超級電容SOC值的瞬態準確性。

圖3 超級電容與總線控制關系框圖

總線電壓側隨運行工況變化引起的電壓電流波動，也通過檢測實時地向控制系統傳遞信號。控制單元處理來自超級電容荷電狀態與負載總線運行瞬時電壓電流信號，操縱超級電容充放電與DC/DC逆變器應處于buck狀態還是boost狀態。

圖4 控制系統信號處理流程圖

如圖4所示，超級電容能量管理控制策略突出信息處理關鍵作用，控制的是強電流大功率開通與關斷，間接控制高壓超級電容充放電，均要考慮電磁干擾與漏電保護，所以要有系統故障自處理系統。檢測超級電容儲能系統充放電的穩定性，出現比較小的擾流信號時發出故障信號，不可抗拒故障時應發出終止系統運行程序。

5 總結

城市軌道交通列車以其站間距離短頻繁加速、啟動、制動高負荷大功率運行的特點，極其適用超級電容充放電迅速比功率高特性。提出超級電容SOC與端電壓之間關系，分析超級電容等效電路以及超級電容能量管理策略。控制DC/DC逆變器buck模式與boost模式轉換并檢測超級電容與總線側電壓以實現超級電容與總線電壓側之間能量的轉移。

能量回收與軌道交通聯網以及實時監測與控制能量回收系統運行是能源管理策略設計關鍵，具有意義非凡的研究價值。超級電容產品的成熟與成本下降之后，以及社會對環保能源的渴求，促使超級電容城市軌道交通列車正在加速向我們駛來。

［1］ 陳朗.超級電容在軌道交通系統中的應用［J］.城市快軌交通，2008，（6）：76-79.

［2］ 何曉光，張逸成.軌道交通超級電容能力回收控制系統設計

［J］.電氣自動化，2009，（5）：73-75.

［3］ Cegnar E J， Hess H L，Johnson B K.A purely ultra-capacitor energy storage system hybrid electric vehiclesutilizing a based DC-DC boost converter.Applied PowerElectronics Conference and Exposition，2004.NineteenthAnnual IEEE，2004，2： 1 160-1 164.

［4］ 聶晶鑫.超級電容儲能裝置在城市軌道交通中的應用［J］.城市快軌交通，2011，（2）：48-50.

張玉龍，男，1983.02，浙江杭州，漢族，教師，助教，新能源汽車。

Super capacitor energy management system of city railway train

Zhang Yulong，Yu Jianjun，Zhu Pinchang，Chen Ning
（zhang yl/mechanical and electrical professional technology institute of zhejiang.hangzhou，310053）

Combining with the super capacitor characteristics and urban rail transit train with its stand the distance between the short frequent braking acceleration， start，load high power operation，the characteristics of super capacitor equivalent circuit is given and the method for measuring the SOC，super capacitor energy management methods of urban rail train is put forward.Using the model of buck DC/ DC inverter and boost conversion to realize vehicle bus voltage stable during acceleration，braking，energy transfer control process to join the communication failure since the processing parts，weaken the high pressure of strong electromagnetic interference environment

super capacitor；Rail transit；DC/DC inverter；Energy recovery.Fault handling