有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)典型站點(diǎn)之間的控制策略分析

郭磊　張?chǎng)巍∴嚦俊±钴姟№n聳　孟學(xué)東

摘要：本文介紹了有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，并對(duì)組成混合動(dòng)力系統(tǒng)的不同形式的動(dòng)力源進(jìn)行了優(yōu)劣分析。通過分析有軌電車在典型站點(diǎn)間的行駛過程中，其上搭載的混合動(dòng)力系統(tǒng)的超級(jí)電容與鈦酸鋰鋰離子電池的電能輸出情況，給出了混合動(dòng)力系統(tǒng)中兩種動(dòng)力源較為合理高效的分工控制策略。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;有軌電車;超級(jí)電容;鈦酸鋰鋰離子電池（LTO）控制策略

中圖分類號(hào)：U267.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1003-9082（2020）04-0-01

一、混合動(dòng)力系統(tǒng)常用電源特性分析與比較

蓄電池充放電的過程就是電池內(nèi)部化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的過程，主要的優(yōu)點(diǎn)是安全性好、價(jià)格便宜、適用范圍廣。目前，用于車用的蓄電池的主要有：鎳氫電池、鋰離子電池、鈦酸鋰鋰離子電池（LTO）、鉛酸電池等。

LTO為一種新型的負(fù)極材料，可以與三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等鋰離子電池中的正極材料搭配，組成LTO鈦酸鋰鋰離子電池，組成的電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能、大電流充放電性能、良好的低溫性能和出色的安全性能，被認(rèn)為是下一代鋰離子電池負(fù)極材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者，而其優(yōu)異的安全特性和低溫性能，特別適合在軌道交通行業(yè)的高要求。本文將選用LTO鋰離子電池（簡(jiǎn)稱LTO）作為混合動(dòng)力系統(tǒng)中除了超級(jí)電容之外的主要組成。

二、混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，將鋰離子電池的比能量?jī)?yōu)勢(shì)和超級(jí)電容的比功率優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)需求決定系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇，搭建出經(jīng)濟(jì)性能良好的混合儲(chǔ)能動(dòng)力系統(tǒng)。總動(dòng)力系統(tǒng)的電氣拓?fù)鋱D基于伊利諾斯理工大學(xué)的Cao等人提出的半主動(dòng)式復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)型[1].該系統(tǒng)構(gòu)型中，電池和超級(jí)電容之間使用了一個(gè)雙向DC/DC變換器和一個(gè)二極管（或受控開關(guān)），DC/DC變換器可以保證在大多數(shù)工況下超級(jí)電容的電壓高于電池的電壓，但只有在超級(jí)電容電壓低于電池電壓（閥值）或者控制人員直接切換輸出源的情況下，電池則可不經(jīng)過DC/DC而直接提供能量。因?yàn)殡姵匾膊恢苯訁⑴c回收制動(dòng)能量，所以電池的負(fù)載相對(duì)平穩(wěn)，該構(gòu)型有利于延長電池的使用壽命。

圖1;半主動(dòng)式構(gòu)型

詳細(xì)的電池系統(tǒng)和DC/DC的電路拓?fù)鋱D如圖2.

圖2;電池系統(tǒng)拓?fù)鋱D

三、混合動(dòng)力有軌電車控制策略

車輛參數(shù)：牽引力62kN、AW3 重量：55t、最高速度70km/h、輔助功率50kw。能量配置為：超級(jí)電容儲(chǔ)能單元10kWh，LTO儲(chǔ)能單元30kWh。行進(jìn)過程中，優(yōu)先采用超級(jí)電容的能量輸出工況，但駕駛員也可以依據(jù)具體情況切換輸出能量源。控制思想如下：

（1）牽引狀態(tài)：優(yōu)先采用超級(jí)電容供電，在超級(jí)電容電能不足的情況下，采用動(dòng)力電池補(bǔ)充;

（2）制動(dòng)狀態(tài)：優(yōu)先采用超級(jí)電容能量吸收，適電容容量情況及車速，保證超級(jí)電容留有一定的余量，以便下一次制動(dòng)吸收;

（3）所有上述操作對(duì)司機(jī)來說是透明的;

車輛在首站將超級(jí)電容充電到900V，動(dòng)力電池通過DC/DC單元充滿電（設(shè)計(jì)的滿電點(diǎn)）。車輛剛開始啟動(dòng)時(shí)由超級(jí)電容直接供電，DC/DC單元不工作（當(dāng)且僅當(dāng)超級(jí)電容電壓低于680V時(shí)，DC/DC單元才工作），運(yùn)行過程中超級(jí)電容電壓會(huì)隨著車輛的運(yùn)行而降低，如果有突然的制動(dòng)工況，則由超級(jí)電容直接進(jìn)行能量吸收，若母線壓低于680V，則DC/DC開始滿功率工作，向高壓母線供電，并隨著車輛速度的提升限流降壓。

四、基于控制策略下的儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出

例1.以某兩個(gè)具體站點(diǎn)耗能仿真計(jì)算為例，站點(diǎn)行駛距離860米，間隔時(shí)間149s，超級(jí)電容放電電量及LTO鈦酸鋰儲(chǔ)能單元總共貢獻(xiàn)4.25kWh，其中，超級(jí)電容放電約4.25kWh，LTO鈦酸鋰儲(chǔ)能單元放電為零，制動(dòng)回饋約0.64kWh。

在此段站點(diǎn)之間，超級(jí)電容儲(chǔ)能單元作為主要的動(dòng)力輸出源，提供了全部的能量輸出，相對(duì)應(yīng)的，LTO鈦酸鋰儲(chǔ)能單元?jiǎng)t并未放電。

總結(jié)

通過構(gòu)建合理的控制策略和適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能系統(tǒng)能量配置，超級(jí)電容與鈦酸鋰鋰離子電池混合儲(chǔ)能在有軌電車的實(shí)際應(yīng)用中，短航程中，由超級(jí)電容作為主要的動(dòng)力輸出源，長航程中，由鈦酸鋰系鋰離子電池作為主要?jiǎng)恿敵鲈矗?jí)電容負(fù)責(zé)削峰填谷。兩者結(jié)合完全可以在有軌電車混合動(dòng)力車型中占有一席之地。此外，鈦酸鋰系鋰離子電池儲(chǔ)能單元也可以在超級(jí)電容無法使用或者中途充電站損壞的情況下，作為主要儲(chǔ)能單元負(fù)責(zé)整車的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]CaoJ，EmadiA.Anewbattery/ultracapacitorhybridenergystoragesystemforelectric，hybrid，andplug-inhybridelectricavehicles[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2012，27（1）：122-132.

作者簡(jiǎn)介：郭磊（1985-），男，漢族，碩士，主要研究方向有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化。