智軌快運系統供電方式對比分析

張洪彬　蔣小晴　粟愛軍　吳雄韜　陳信春

摘? ?要：智軌快運系統是中車株洲所于2017年6月推出的一種新型跨界創新的中運量軌道交通制式。智軌電車作為智軌快運系統運載工具，其充電站設于線路首末站，首末站區間僅由儲能電池為電車供能。本文通過對比現有傳統路面軌道交通供電方式，結合智軌電車及其運營線路特點，分析了智軌快運系統供電方式需求，并介紹了其車載儲能系統及地面供電系統，最后得出車載儲能+首末站充電形式是智軌快運系統建設及運營最具性價比的選擇。

關鍵詞：智軌快運系統? 智軌電車? 供電方式? 車載儲能系統

中圖分類號：U284? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0029-03

隨著城市化進程不斷推進，在解決大城市公共交通密度補充及中小城市骨干交通網絡組建方面，中運量軌道交通日漸表現出其優勢。軌道交通供電方式存在多種選擇。車載配置儲能系統、地面設置快速充電的運營模式，既能保證線路運營效率，又能兼顧良好的城市景觀、綠色環保[1]。智能軌道快運系統即采用該模式。

本文首先對市面上主流車載儲能載體及其配套充電方式進行了對比，然后依據市區內運營線路及智軌電車特點對供電方式進行了需求分析，最后從需求出發，系統地介紹了智軌車載儲能及地面供電系統。

1? 車載儲能載體及配套充電方式對比

有軌電車屬于傳統路面軌道交通制式，其自誕生到發展至今已經歷了百年有余。現代有軌電車供電方式目前存在走行供電和車載儲能+站點補充式供電。

1.1 走行供電

走行供電方式主要有架空接觸網供電和第三軌供電，表1示出兩者比較。

1.2 車載儲能+站點補充

車載儲能+站點補充供電方式下，車輛區間運行時由儲能系統供能;車輛到達充電站點后完成補電工作。車載儲能方式目前有氫燃料電池、超級電容、鋰離子電池等。氫燃料電池式車輛續航能力較強，補氫在加氫站進行，單列車配備6個140L儲氫瓶，補氫3min可續航100 km;超級電容式車輛充電一般采用每站充或隔站充方式[2];鋰離子儲能動力電池通過提高車輛續航，可一定程度減少沿線供電系統成本投入，充電方式采用升弓充電或插槍充電。表2示出該類充電方式比較。

車載儲能電池主流鋰離子電池材料有三元鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰等。其中三元鋰電池能量密度最高（220kWh/kg以上），但熱穩定性較差，充放電倍率較低（1C左右），應用以乘用車為主;鈦酸鋰電池充放電倍率最高（充電可達5C，放電可達10C），熱穩定性最好，但能量密度低（60～85 kWh/kg），應用以高鐵、電力機車等軌道交通為主，這些交通制式已有架空線網，車載儲能系統無長距離續航需求;磷酸鐵鋰能量密度適中（135～185kWh/kg），充放電倍率適中（2～5C），安全性能好，應用以城市公共交通等商用車型為主。

現已投運的儲能電池式有軌電車，儲能系統多為混合式（超級電容+鈦酸鋰電池），其目的在于通過提高車輛續航，適應某些站點區間較長的運營線路。該供電方式下，線路配車數僅需考慮線路長度、旅行速度、發車間隔等因素，無需另行考慮首末站車輛充電時間帶來的影響。但其地面供電系統仍需每站或隔站設置充電裝置，仍涉及較多充電設備及線纜敷設成本投入。

單純由儲能電池為車輛在全線區間內運行供能的方式，目前多應用于公交客車及乘用車領域[3]，尚未在有軌電車領域有工程實例。其重要原因在于有軌電車行駛需借助物理軌道，運行路徑受限。若有軌電車采用純儲能電池驅動，首末站充電方式，其在首末站停站時間延長，且隨之增加了車輛進出首末充電站的道閘設計難度。

2? 智軌系統運營線路供電需求分析

智軌快運系統作為一種跨界創新的新型中運量城市公共交通制式，兼具了軌道交通快速準點、運量大和傳統公交運營靈活特點，其運營線路及供電方式的選擇脫離了物理軌道限制。根據上述分析，可選用車載配備鋰離子儲能電池，首末站設置充電站的供電方式。

鋰電池電化學模型對輸入電流較敏感，在車載電池充電過程中，BMS需與充電機保持實時通信以根據需要實時調整充電參數。車輛配備儲能電池時，其充電變流設備存在2種安裝情況。設于車載時，地面充電裝置無需建立車地通信，其僅需提供穩定電壓源;充電變流設備設于地面時，有利于車輛減重及項目成本降低，但需考慮BMS充電階段實時交互的車地通信需求。

智軌電車通過仿真計算及實際線路測試，三遍組模式下的智軌電車，其線路運行綜合平均電耗為2.2～3.5 kWh/km。城市市區內運營線路通常在20km以內，于是對于該類運營線路，車輛單向運行電耗范圍44～70 kWh。

對于智軌車載儲能電池，其續航能力在電量從100%運行消耗至30%時，需至少滿足電車在20 km線路往返一次。地面充電系統輸出充電功率需大于所配備儲能電池充電功率，充電變流設備需具備車地交互功能。鑒于智軌電車可雙向行駛特點，充電設備直流輸出端還需具備正負極性切換功能。

由以上需求分析可得智軌車載儲能電池能量需大于：

假設智軌系統線路運營發車間距為15 min，則在線路配車數充足，單個首末充電站設置T型雙充電位條件下，單列電車在充電位可停留充電時間（包括充電準備時間和實際充電時間）為30min，則儲能電池快速充電功率至少需達到：。則地面充電系統輸出功率需大于400kW。

3? 智軌系統儲能充電方案

基于續航、減重及降低成本等方面的考慮，智軌充電系統選擇快充式磷酸鐵鋰電池作為其車載儲能系統，在線路首末站設置快速充電站，同時充電變流功能移至地面充電系統，且充電設備直流輸出配備正負雙極性充電軌。該模式亦為滿足智軌快運系統運營要求性價比最優的選擇。

3.1 智軌電車儲能系統方案

上述需求分析中的計算依據為智軌電車在20km線路上行駛往返所耗能量，若線路首末站均設置T型充電站以供電車運行單程補電，可根據實際運行情況縮減充電時間，以提高發車密度或減少線路配車。智軌電池儲能電池基本參數見表3。

3.2 智軌快運系統快速充電系統

快速充電系統由一體化預裝式箱式變電站（簡稱“箱變”）、雙極性充電軌、地面定位識別裝置及無線通信系統構成。路中設置快速充電系統T型充電站，包含2個充電位，可供2列智軌車輛同時充電。圖1示出箱式變電站關聯關系。

單臺箱變總容量為2000kVA，從兩路獨立10kV環網取電。箱變變壓器次邊繞組有3繞組，2路充電繞組，1路低壓配電繞組。單路充電繞組輸出最大功率900kW;配電繞組輸出最大功率200kW，包含臨近站臺用電及箱變自用電;非首末站臺直接引入AC380V市電。箱變高低壓側基本參數見表4、表5。

充電站定位系統包含射頻卡（安裝于2車頭）、射頻接收機及定位地磁（安裝于充電站）。車輛到站后，接收機識別射頻卡內車輛IP地址，整合接收機自身綁定的充電位IP地址得到定位信息，目標地址及源地址進行握手，車地無線通信鏈路完成建立。

充電機變流器與車載動力電池BMS采用無線通信鏈路進行充電信息交互，交互內容依據標準GB/T 27930-2015 《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》。

隔離開關柜內配備極性轉換功能。車輛在每次升弓觸軌時可能會切換正負極性。隔離柜輸出端配有電壓互感器，可在弓軌接觸后采集車載電池電壓，并自動配置直流輸出極性，最后輸出滿足電池BMS要求的直流電能至充電軌。

4? 結語

智軌快運系統作為一種新型中運量軌道交通制式，為解決城市公共交通問題提供了一種新選擇[4]。本文通過對比主流車載儲能載體及其配套充電方式，基于智軌電車及其運營線路特點，分析了車載儲能及地面快充系統功能、性能需求，并對相關參數進行了介紹。綜合而言，車載配備快充儲能電池、首末站設置快充系統的模式對智軌快運系統是最具性價比的選擇。

參考文獻

[1] 石宏.ART車輛段總平面設計技術特點分析[J].現代城市軌道交通，2018（12）： 36-39.

[2] 黃齊來，張維，郭志奇.車載超級電容儲能式有軌電車的充電軌設計及應用[J].都市快軌交通，2019，2（32）：132-137.

[3] 張卓杰，劉家棟，李亙，等.現代智能無軌電車與傳統BRT的綜合比對分析[J].科技創新導報，2019（23）：100-102.

[4] 張洪彬，曾妮.智軌電車驚艷亮相北京國際城市軌道交通展[J].城市軌道交通，2018，29（7）：56-57.

基金項目：國家重點研發計劃基金 公共路權導向運輸系統集成技術與應用示范（項目編號：2018YFB1201605-10）。

作者簡介：張洪彬（1991—），男，漢族，湖南常德人，碩士，工程師，研究方向：軌道交通供電系統。