儲能式有軌電車混合動力系統及其控制策略

王丹梅 尚江傲 周利

摘 要：本文基于電容和電池混合儲能的高能量密度和高強度電流能力的優勢，結合線路特征，通過能量仿真計算，研究混合供電控制策略，實現混合動力技術對全線無接觸網有軌電車的續航能力、運行時效性和經濟性的提升，通過混合動力技術的研究及驗證，以推廣該系統在有軌電車領域的廣泛應用。

關鍵詞：混合動力;超級電容;電池;儲能式無接觸網有軌電車;自動控制

儲能式現代有軌電車采用車載儲能電源，牽引時儲能電源作為牽引動力電源放電;制動時采用全再生制動，動能轉化為電能儲存在儲能電源中，提高了能源利用效率。

車載儲能電源采用超級電容和電池作為儲能元件，利用超級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，研究超級電容與電池的混合供電技術，實現儲能式有軌電車動力性能和儲能增程的要求。可適應用戶線路交通擁堵情況時的車輛用能要求及用戶線路越站不充電要求，提升了運行時效性和經濟性。

1 車輛基本參數

1.1 車輛基本概況

（1）供電型式。區間無接觸網，通過超級電容和電池混合供電系統提供能量及回收再生能量;車站設置接觸軌，通過受電器受電，并給混合供電系統快速充電。

（2）列車編組型式。車輛由五模塊組成，包含2臺動力轉向架和1臺非動力轉向架。

（3）列車總重：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 車輛線路條件

以某車輛用戶線路情況為例，線路總長約8.3km，共15個站。用戶全線路僅設置6個充電樁，車輛在其他站點無須充電，且區間需考慮十字路口等待時間。

1.3 混合動力系統配置

車輛采用2臺超級電容組和1臺動力蓄電池混合供電系統作為儲能電源，蓄電池前端設置雙向DC/DC，用于蓄電池的充放電控制，實現全線無接觸網運行。

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

（2）動力蓄電池：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 混合動力系統控制策略

2.1 混合控制策略

2.1.1 牽引工況

混合供電通過超級電容優先供電，當超級電容低于門檻值（根據線路條件確定）時，雙向DC/DC開通，鈦酸鋰蓄電池開始投入為車輛補充能量。

2.1.2 制動工況

車輛制動工況時，再生能量優先反饋至超級電容，超級電容電壓高于門檻值（根據線路條件確定）時，雙向DC/DC開通將再生能量同時反饋給動力蓄電池。

2.1.3 站臺充電工況

停站充電時，雙向DC/DC開通，地面充電機同時給超級電容和蓄電池充電。線路中間蓄電池按不大于30s充電，僅在終點站利用折返時間給蓄電池充滿電。

2.1.4 等紅綠燈工況或站臺不充電工況

當車輛在十字路口等待紅綠燈或車輛停站不充電時，雙向DC/DC開通控制蓄電池為車輛輔助系統供電。

2.2 能量仿真計算

2.2.1 仿真條件說明

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

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

（3）整列車輔助功率約50kW。

2.2.2 仿真結果

根據上述條件，在1.2章節中的線路條件進行混合供電系統的能量仿真計算，以校核該電源配置的可行性，能耗仿真結果如圖1，超級電容剩余能量仿真結果如圖2。

由仿真結果可以看出，車輛按該混合供電系統方案，滿足用戶線路僅設置6個地面充電樁的要求。蓄電池投入時的門檻值建議為DC720V，車輛完成單程運行時蓄電池消耗能量約為18.67kWh，超級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時間和紅綠燈等待時間，具有較大余量。

對比3組超級電容供電方案，車輛不限速將無法滿足線路僅設置6個充電樁要求，需至少新增1個充電樁或者全線路限速50km/h，且均無十字路口等紅綠燈或交通擁堵時的能量冗余。3組超級電容限速50km/h的能量仿真計算結果如下：

3 結語

通過對混合動力系統的研究及用戶線路的仿真計算，實現了混合動力系統儲能增程的初步驗證。該混合動力系統結合超級電容功率密度大和蓄電池能量密度大的特點，完全滿足全線路無接觸網有軌電車的動力性能和能量需求，并提升了用戶線路成本、運行時效性。通過混合動力系統與低地板有軌電車的完美集成，符合有軌電車這一新型交通工具的“綠色環保”“環境友好”等特點，通過混合動力技術研究，以推廣該種儲能技術在有軌電車領域的廣泛應用。

參考文獻：

[1]CJ/T 417-2012《低地板有軌電車車輛通用技術條件》.

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