有軌電車混合供電及運行切換方法研究

張偉建，崔 杰，陳 波，周 洋，丁 俊

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0 引言

低地板有軌電車通常運行于地面交通線路，在運行過程中不可避免地會經過若干十字路口或者名勝古跡，在這些路口或者古跡處，不便于在空中架設接觸網，因此在有軌電車的運營線路中就出現了若干無網區，這就造成有軌電車在此類線路運營過程中要頻繁在有網區和無網區間穿梭運行[1-3]。如何使有軌電車在不停車的前提下，在有網區和無網區頻繁切換的線路上可以平穩運行，保證乘客的乘車舒適度以及整個運營組織的運行效率，就成了一個亟待解決的關鍵問題。

以往的研究多針對的對象為全線路均為無網區，試圖為有軌電車在這種長距離無網區尋求一種適合的車載動力電源系統方案，所選擇的車載電源多為功率密度型的超級電容，通過該超級電容為列車在全線路無網區提供整車的牽引動力需求、輔助用電需求[4-6]。區別于上述早期研究，本文所討論的有軌電車全線路由多個有網區和無網區交叉組成，為解決有軌電車在此類型線路條件下的供電及運行需求，從有網區和無網區的混合供電模式出發，探索適用于無網區運行時的合理車載動力電源方案，保證列車在無網區運行時，車載動力電源可以滿足車輛高壓用電設備、中壓交流用電設備、低壓用電負載的全部用電需求。并結合有軌電車車輛自身電氣原理特點，尋求一種適用于低地板有軌電車在有網區和無網區之間頻繁切換運行的混合供電系統及運行方法[7-10]。

1 車載動力電源選型及容量計算

1.1 車載動力電源選型

近年來，汽車行業鋰電池起火事故頻發，主要歸根于汽車用動力電池采用磷酸鐵鋰和三元鋰電池，由于電池自身內短路或外部因素（碰撞、短路）引發鋰電池熱失控。而鈦酸鋰電池是一種以鋰金屬或鋰合金為正極材料，以非水性電解質溶液為電解液的電池。充電過程為鋰離子Li+從正極化合物中脫出嵌入負極晶格；放電過程為鋰離子Li+從負極晶格中脫出嵌入正極化合物。鋰電池按照正極材料可以分為三元鋰、磷酸鐵鋰等，負極材料分為石墨和鈦酸鋰等，根據封裝工藝，鋰電池也可以分為方殼、圓柱、軟包等。

鈦酸鋰電池具備以下優點。

（1）鈦酸鋰電池具有能量密度高、低溫性能好、自放電率低、循環壽命長等優點。

（2）配備的電池管理系統安全可靠，鈦酸鋰電池系統不僅具有保護和檢測器件，還具有在故障狀態下切斷部分蓄電池組的功能，電池管理系統實時監控蓄電池電壓、溫度及電流，能夠及時發現異常，通過通訊系統上報。

（3）充放電智能化管理。充電時通過通訊實時與充電機發送數據，并根據不同的電壓進行充電電流控制。用于蓄電池牽引時，與整車實時通訊，發送最大允許的放電電流，防止蓄電池過放。

（4）通訊種類多。電池管理系統可支持MVB和以太網通訊，還可以通過擴展模塊擴展通訊種類。

（5）免維護。傳統酸性、堿性電池作為軌道交通車輛蓄電池，在使用過程中需要定期稱重加電解液來維持電池容量。而鈦酸鋰電池不需要添加電解液。

（6）低溫性能好。鈦酸鋰電池具有充放電過程中骨架結構幾乎不發生變化的“零應變”特性，理論上有無限長的循環壽命，嵌鋰電位高（1.55V vs.Li/Li+），而不易引起金屬鋰析出，庫侖效率高、鋰離子擴散系數比碳負極高一個數量級，在低溫環境下，具有更高的放電倍率。

1.2 容量計算

結合近年來各地區實際的無網區線路條件，本文選取一列5輛編組形式有軌電車為參考對象，并定義對于無網區的運行工況需求如下。

（1）工況1：運營線路上無電區最長為1 km（中間有一100 m的20‰坡道），兩相鄰無電區之間距離不小于3 km，在無電區內要求列車能夠啟停2次。

（2）工況2：接觸網供電故障工況下，列車可以應急牽引1個站區間（按照某地區線路條件中最苛刻的一個站區間并延長至1.5 km，進行整車能耗計算）。

另外，在上述各種工況下，為保證乘車舒適度，須確保列車輔助負載（AC380V+DC24V）和客室空調均能滿功率運行。

上述兩種工況下，牽引系統的相關能耗仿真曲線如圖1所示。

圖1 不同無網區工況下的相關能耗仿真曲線

能耗計算如下：整車配置兩套動力鋰電池箱，無電區時單套箱體應提供短時持續用電功率100 kW，峰值用電功率140 kW。根據蓄電電池短時持續大放電能力6C計算，則有：

單套動力鋰電池箱需配置容量為16.6 kW·h的鋰電池。

母線電壓：500～900 V。

考慮DC/DC充放電：300～450 V（＜500 V）。

需求并數計算：16.6 kW·h÷400 V=41.5 A·h＞25 A·h，由于整車短時用電功率200 kW，對于動力鋰電池放電電流放電倍率要求較高，因此選用容量25 A·h的單體模塊。41.5 A·h÷25 A·h（單體）≈2 p，選擇25 A·h單體電芯，2并，總容量50 A·h。

需求串數計算：16.6 kW·h÷50 A·h=332 V；332 V÷2.34 V（單體）=141.8 s。

模組統一化：4×36 s（每個模組串數）=144 s。

總串并數：2 p144 s。

模組數量與配置：4（個）×2 p36 s。

根據串并聯需求計算，單套箱體配備電量16.8 kW·h，整車配置兩套。按照這樣的配置即可滿足整車在無網區工況內的全部用電需求，包括車輛牽引動車、空調等交流負載用電、DC24V低壓負載用電等。

2 混合供電模式下的運行切換控制

圖2所示為牽引系統與鈦酸鋰電池儲能系統之間的主電路拓撲圖，列車在有網區段和無網區段等不同工況下的運行機制如下。

圖2 牽引系統與儲能系統主電路原理

（1）工況1：有網區段

當列車運行在有網區段時，來自牽引變電站的電源，經由線路接觸網、列車受電弓后接入有軌電車，電網電壓正常情況下在500～900 V之間變化時，主電路能正常工作，并方便地實現牽引-制動的無接點轉換，滿足列車的牽引及制動特性的要求。牽引工況下，牽引系統從電網獲取能量，經牽引逆變器輸入端預充電電路對支撐電容進行充電，充電完成后，通過三相逆變模塊逆變成三相電機電流為牽引電機進行供電，進而驅動列車運行；制動工況下，牽引電機為發電機模式，電制動過程中產生的再生能量優先通過雙向DC/DC模塊降壓斬波向鈦酸鋰電池充電，電池充滿電后，再通過能饋控制單元將再生能量回饋電網，最終吸收不了的能量將通過有軌電車上配置的制動電阻以熱能的形式釋放掉。

（2）工況2：有網區段進無網區段

車輛由有接觸網區進入無網區前，首先由車輛發出“進無網區”的控制信號，牽引系統控制單元DCU接收到進無網區指令后，控制DC/DC模塊將支撐電容兩端的電壓升壓至DC890V，然后斷開短接接觸器KM1，轉入無網運行模式。與此同時，DC/DC模塊切換至升壓斬波模式，將鈦酸鋰電池的電源進行轉換，維持中間電壓為750 V。有軌電車的DC750V高壓用電設備、AC380V中壓交流負載、DC24V低壓直流負載，全部間接通過車載鈦酸鋰電池進行供電。

（3）工況3：無網區段

當列車運行在無網區段時，牽引工況下，雙向DC/DC模塊通過升壓斬波可將鈦酸鋰電池箱儲存的能量反向輸出給牽引系統、輔助變流器和直流空調使用，滿足車輛的用電需求；制動工況下，優先通過雙向DC/DC模塊降壓斬波向動力鋰電池充電，或向輔助系統、空調進行供電；當中間電壓繼續升高時，開通制動電阻以熱能的形式將剩余的能量釋放掉[11-13]。

（4）工況4：無網區段進有網區段

車輛由無網區段進有網區段前，首先由車輛發出“出無網區”控制信號，牽引控制單元DCU接收到該指令后，DC/DC模塊將支撐電容處兩端升壓至DC890V。列車受電弓首先搭入線路過渡接觸搭網，后正式接入接觸網，牽引系統控制單元DCU通過檢測網側電壓大于DC650V，閉合預充電接觸器，其后閉合短接接觸器，斷開預充電接觸器，DC/DC模塊停止升壓轉入有網運行模式。之后將DC/DC模塊切換至降壓斬波模式，給鈦酸鋰電池進行充電。

（5）工況5：應急牽引

當接觸網供電故障，或者由于受電弓故障不能對車輛進行受流供電時，可通過動力鋰電池對列車進行相應的應急牽引。由于動力鋰電池的功率和電量是按照列車在無網區運行時的功耗情況進行設計的，經過計算，應急牽引時，車上輔助系統、空調系統等用電設備完全可以正常工作。

3 結束語

接觸網加鈦酸鋰電池混合供電模式，列車運行過程中主要使用接觸網供電，在沒有接觸網的路段使用電池運行。使用接觸網供電的有軌電車是應用很成熟的方案，但是考慮到部分路段無法架設接觸網，使用鈦酸鋰電池作為短時工作電源及備用電源是最為經濟、合理的方案，同時提高了系統的冗余性[14-15]。

（1）鈦酸鋰電池具有高能量、較高功率的特點，可以實現短距離的牽引運行，在無網區降牽引功率的前提下，可以滿足車輛牽引、輔助、空調等的用電需求，保證了乘車舒適度。

（2）在有接觸網區段，利用牽引系統DC/DC模塊對電池充電；在沒有接觸網的路段，電池通過DC/DC模塊向牽引、輔助、空調等供電。

（3）先進的無縫切換技術，通過牽引箱中DC/DC模塊的自動模式切換，實現有網區和無網區的切換過程中，車上用電設備被持續供電，不中斷，簡化司機操作、提高乘坐舒適性。

（4）本文的鈦酸鋰電池方案同樣可以滿足列車對于應急牽引的需求。

本文的關鍵點在于鈦酸鋰電池系統的配置方案設計，以及列車在有網區和無網區頻繁切換運行時的不同供電模式的控制方案設計。基于上述兩點，既保證了列車運行在無網區時對于儲能系統供電功率和電量的需求，又保證了列車可以在有網區和無網區平穩的切換運行。基于上述方法的有軌電車目前已完成車輛試制工作，后續會在試驗階段對該方法的有效性進行驗證。