現代無軌列車動力系統設計與參數匹配計算

王 鑫，孫開意

（1. 中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山 063035；2. 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

1 概述

現代無軌列車作為城市路面新型公共交通制式，與傳統的無軌電車及有軌電車相比，具有智能便捷、安全高效、低碳環保等特點。由于運用環境不同，現代無軌列車的牽引性能計算和關鍵部件參數設計與軌道交通車輛有所差別?，F代無軌列車具有頻繁啟動、加速、制動、停車、爬坡等特殊性，對加速度、快速制動、爬坡能力有很高的要求，而其性能在很大程度上取決于驅動電機等關鍵部件組成的動力系統。為滿足不同工況下的牽引性能和續駛里程等要求，使現代無軌列車的動力性能得到更好地發揮，對驅動電機和動力電池本身性能參數的選擇至關重要，本文基于車輛性能需求進行動力系統核心部件架構設計和性能參數計算。

2 動力系統配置

本文研究的現代無軌列車采用3模塊編組方式，并通過鉸接模塊進行車輛連接。動力系統組成框圖如圖1所示，主要包含動力電池、配電單元（PDU）、動力總成控制模塊（PCM）、電機驅動器（MCU）和輪轂電機。動力電池輸出的直流電源，經配電單元（PDU）內部預充電電路完成預充電后，通過電機驅動器進行直 -交電源轉換來驅動輪轂電機，PCM負責根據列車控制信號對4臺電機進行協調控制。

圖1 動力系統組成框圖

現代無軌列車與現代有軌電車相比較，在結構方面的區別是有軌電車采用鋼輪鋼軌，其走行部為轉向架結構，驅動電機安裝在轉向架上經過齒輪箱調整后驅動車輪轉動，而無軌列車采用橡膠輪結構，可實現輪轂電機直接驅動膠輪轉動?，F代無軌電車采用動力分散方式，根據動力性能和冗余性要求配置牽引逆變器和牽引電機。

2.1 動力電池

動力電池安裝在Tc車頂部，為整車提供電源?，F有車輛應用的蓄電池種類包括鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池等。其中，鉛酸電池技術成熟，具有成本低廉、安全性高、支持大電流放電等特點，但其能量密度低、循環壽命短的特性無法滿足無軌列車續駛里程的需求。鎳氫電池和鋰電池目前在電動汽車動力電池應用中技術成熟，但鎳氫電池也存在單體電壓低、自放電損耗大、對環境溫度敏感等方面的不足，而鋰電池具有能量密度高、充電效率高、循環壽命長等特點，因此在電動車輛領域具有很大的優勢。幾種常見動力電池的性能參數對比如表1所示，磷酸鐵鋰電池具有安全環保、成本低等優勢，最終選用其作為現代無軌列車的動力電池。

表1 動力電池的性能參數比較

2.2 配電單元

由于鉸接模塊安裝空間有限，將PDU安裝在Tc車車頂，PDU內配置2組預充電單元，為電機驅動器進行預充電。配電單元箱內同時配置逆變模塊和直流電源轉換模塊，用于列車動力系統冷卻等交流負載供電和控制等直流負載供電。

2.3 動力總成控制模塊

PCM安裝在中間T車車內，負責所有與傳動系統相關的功能，如PDU控制、輪轂電機的轉矩控制、制動系統的相互作用、保護和限制、安全隱患的檢測和控制、動態限速等；并且通過列車CAN-J1939通信網絡與整車控制器、電池管理系統等其他車輛系統相互關聯。PCM可以協調控制2臺配電單元和4臺驅動控制器，PCM與PDU之間有低壓控制接口，可以控制PDU內部的高壓接觸器，并對接觸器的狀態和高壓供電進行診斷。加速踏板作為PCM的輸入，用于調節車輪的驅動轉矩和制動轉矩。動力總成控制模塊PCM的通信與低壓連接如圖2所示。

圖2 PCM通信與低壓連接框圖

2.4 電機驅動器

MCU是一種高壓逆變器，它將動力電池輸出的直流電轉換為交流電以驅動電機，同時在制動工況下，控制驅動電機進入發電狀態，將產生的再生制動能量經逆變器轉換成直流電，為動力電池進行充電，增加續駛里程。電機驅動器配備有溫度、電壓、電流和位置傳感器。

為保證車輛具有大的轉彎半徑，中間鉸接模塊作為動力車，其車下空間較小，因此將電機驅動器與輪轂電機集成安裝。

2.5 輪轂電機

輪轂電機具有傳動效率高、控制靈活、結構緊湊等優勢。目前輪轂電機的驅動形式有2種，現代無軌列車采用直接驅動方式的輪轂電機，其定子固定在副車架上，轉子連接到輪輞上，輪輞連接到輪胎上，無需安裝減速機構，這樣所有的電機直接驅動車輛沒有任何傳動損失，簧下重量也有所降低。

永磁同步電機較直流電動機、感應電動機具有效率高、功率密度高、可靠性好的優勢。對于內定子外轉子式的輪轂電機結構，定子中的損耗所產生的熱量難以散發出去，導致輪轂電機的內部溫度變高。過高的溫度會影響電機性能，電機過熱影響電機的使用壽命，同時增加運行故障的風險，因此采用循環水冷的方式實現電機繞組的冷卻。

3 動力系統參數設計

3.1 整車性能要求

現代無軌列車基本參數與性能指標要求如表2和表 3所示。

表2 整車基本參數

表3 性能指標

3.2 驅動電機參數計算

現代無軌列車驅動電機的基本參數主要是根據整車加速性能、爬坡性能、最高車速性能要求來確定，包括峰值功率、額定功率、額定轉速、最高轉速、額定轉矩以及最大轉矩。

3.2.1 峰值功率和額定功率計算

列車在最大車速Vmax下直線行駛時所需的最大功率P1通過公式（1）可以求出。

式（1）中，P1為以最高車速行駛消耗的功率，kW；Vmax為最高車速，km/h；ηT為傳動效率；m為列車質量，kg；f為滾動阻力系數；Cd為風阻系數；A為車輛迎風面積，m2。

爬坡功率是車輛以恒定速度爬坡時的最大功率，由公式（2）可以求出。

式（2）中，P2為車輛以恒定的速度爬坡時要求的電機峰值功率，kW；V為爬坡車速，km/h，此處取20 km/h；ηT為傳動效率；m為列車質量，kg；f為滾動阻力系數；Cd為風阻系數；A為車輛迎風面積，m2；αmax為最大爬坡，αmax= arctani，i為最大爬坡度。

車輛在加速行駛的過程中，電機在最末的一刻得到最大功率，由公式（3）可以求出。

式（3）中，P3為加速狀態下車輛電機的峰值功率，kW；Va為加速末速度，km/h，此處取50 km/h；ηT為傳動效率；δ為旋轉質量換算系數；m為列車質量，kg；f為滾動阻力系數；Cd為風阻系數；A為車輛迎風面積，m2。

由式（1）～式（3）可以求出P1= 172.05 kW，P2= 416.40 kW，P3= 384.11 kW。依據車輛動力系統的控制策略，當車輛以最高車速行駛時，電機的最大功率Pmax必須符合車輛功率需求P1，并且滿足爬坡、加速狀態下的功率P2、P3，即Pmax≥ max{P1，P2，P3}，因此Pmax= 416.40 kW。

現代無軌列車共設置4臺輪轂電機，因此每臺電機峰值功率應不低于104.10 kW，取110 kW作為驅動電機的峰值功率。按照目前驅動電機特性，額定功率為峰值功率的1/3～1/2，取55 kW。

3.2.2 最高轉速計算

驅動電機的最高轉速由車輛的最高車速決定，即：

式（4）中，nmax為最高轉速，r/min；umax為最高車速，km/h；r為車輪滾動半徑，m。按照公式（4）計算得到nmax= 411.92 r/min，即驅動電機最高轉速不低于411.92 r/min。

3.2.3 最高轉矩計算

對于驅動裝置的最大驅動力一般發生在車輛最大爬坡工況，同時考慮在爬坡時，沒有額外的加速工況，所以驅動電機最高轉矩可按照公式（5）進行計算。

計算可得列車在啟動爬坡時所需驅動轉矩為33 746.32 N · m，對應每臺驅動電機最大轉矩不低于Tmax= 8 436.58 N · m。

3.2.4 驅動電機參數

根據上述計算結果，結合目前成熟應用產品情況，驅動電機選型的主要參數如表4所示。

表4 驅動電機主要參數

3.3 動力電池參數設計

動力電池參數設計需要考慮電池能量和最大輸出功率，確保動力性能與續駛里程。動力電池的匹配與勻速續駛里程要求有關，即電池在額定容量條件下，在良好路面上勻速行駛時能夠行駛的距離，續駛里程按照公式（6）進行計算。

式（6）中，W為動力電池總能量，kW · h；S為續駛里程，km；v為平均車速，km/h；Pd為驅動系統功率，kW；Pa為輔助供電系統功率，kW。

按照表3性能指標要求，以勻速40 km/h行駛續駛里程不低于80 km，按照公式（1）可以計算出驅動系統功率Pd= 86.69 kW，列車最大輔助供電系統功率Pa= 79.52 kW，因此可計算出動力電池總能量為W= 332.41 kW · h，每臺動力電池的能量不低于166.21 kW · h。

根據計算的動力電池所需能量以及成熟應用產品情況，蓄電池主要參數如表5所示。

表5 動力電池主要參數

4 結語

現代無軌列車作為綠色環保的中低運量交通工具，可適應的路權形式更廣，具有爬坡能力強、轉彎半徑小等特點，在當今城市發展中具有廣闊的應用前景。本文以三模塊無軌列車為例對動力電池、驅動控制器和輪轂電機組成的動力系統進行介紹，依據整車性能指標，重點對動力系統參數匹配計算方面進行了詳細說明，根據計算所得參數結果，對無軌列車驅動電機和動力電池進行選型。此方法可為不同模塊數量及動力源配置的現代無軌列車提供動力系統選型計算的參考。