基于動力電池的部分無接觸網供電技術

■ 綦芳 邵克成 王維

0 引言

低地板車是客運量介于地鐵和公交車之間的一種交通方式，以技術先進、環境污染小、節約能源、投資少且建設周期短等特點倍受關注，國內已有多個城市規劃有軌電車線路。供電方案是有軌電車的關鍵技術之一，也是業主在車輛選擇過程中的關注重點。

由于接觸網對于景觀的影響，國內對于部分接觸網和無接觸網供電的需求越來越迫切[1]。隨著動力電池技術的發展，其應用于低地板車成為可能。介紹低地板車的供電技術，并以南京河西有軌電車1號線為例，探討供電方案的選擇及基于動力電池的部分無接觸網供電技術。

1 供電方案選擇

1.1 低地板車供電方式

供電技術按照不同的分類原則有不同的分類方法。根據供電能量是否來源于接觸網可分為3種：傳統的全線接觸網供電，部分區間有網、部分區間無網的部分無接觸網供電，全線無接觸網供電。根據能量來源可分為3種：接觸網供電、車載儲能裝置供電和非連續式供電。

（1）接觸網供電：架空接觸網供電是軌道交通車輛最常用、最成熟的供電方式之一[2]，可靠性高，對車輛性能沒有限制，但影響城市景觀。

（2）車載儲能裝置供電：主要包括動力電池供電方案、超級電容供電方案及動力電池與超級電容相結合的供電方案。超級電容充放電速度快、壽命長、功率密度大，但能量密度小；動力電池的能量密度高，體積小、質量輕，但功率密度和壽命不及超級電容。

（3）非連續式供電：主要包括基于感應供電原理的Primove系統、地面供電Tram Wave系統和基于無線電控制的APS系統[3]。這3種供電方式的共同特點是對景觀無影響。Primove系統是完全的無接觸式供電部件，無磨耗，但存在傳輸功率的限制，且效率低。第三軌和集電靴磨耗都非常高，維護成本高；在雨天或軌面積水情況下，車輛經過時，Tram Wave系統存在短路或觸電的可能，APS系統則無法正常運行。

1.2 線路情況及方案選擇

南京河西有軌電車1號線位于河西新城，連接新城中、南部片區。起點位于地鐵2號線奧體東站區域，終點位于新河路中段。全長7.76 km，全線共設車站13座，平均站間距640 m。

河西新城是商務、商貿、文體三大功能為主的城市副中心，是2014年青奧會的主賽場，整個城區的線纜均設置在地下。河西新城的規劃和定位決定1號線不能采用全線接觸網的方案；線路緊鄰長江，存在被淹沒的風險，采用APS和Tram Wave存在安全問題，且成本高，維護困難；Primove尚處于研究階段，因此決定采用車載儲能的供電方案。

低地板車對于車載儲能裝置的需求至少應滿足以下幾個方面：

（1）安全。低地板車是公共交通工具，若發生安全事故將帶來嚴重影響，因此首先要滿足安全的要求。

（2）功率。在站間無接觸網區段，整列車的動力都來源于動力電池，因此功率必須能滿足整列車的功率需求。

（3）能量。至少要滿足一站或幾站，并留有裕量以滿足堵車、十字路口停車、因變電站故障無法充電等意外情況的能耗需求。

（4）體積和質量。低地板車的設備均位于車頂，安裝儲能裝置的空間有限；因為軸重的限制，對質量有苛刻的要求，因此對儲能裝置的功率和能量密度都有很高的要求。

（5）壽命。儲能裝置的壽命直接決定了其全壽命周期成本，業主要求壽命達到6年。

基于當時的技術發展，超級電容的能量密度太小，無法滿足車輛對于體積和質量的要求；超級電容和動力電池相結合的方案控制復雜、成本高，因此選擇了動力電池作為車載儲能裝置。

2 車輛概況

2.1 編組

車輛編組方式見圖1。車輛采用模塊化組裝，包含5個基本模塊，其中1個轉向架模塊，2個轉向架模塊加司機室模塊，2個懸浮的客室模塊，互相之間用鉸接裝置相連，形成一列車。整車包含3個轉向架，中間為拖車轉向架，兩端為動車轉向架。

2.2 牽引制動性能

電氣牽引系統為變壓變頻的交流傳動系統，供電電壓為DC 750 V。車輛的牽引制動特性見圖2。

2.3 牽引系統配置

每輛車配置一架受電弓，設置在BM3模塊，用于在有接觸網的區段給車輛供電并給動力電池充電。牽引變流器和輔助變流器的前端分別設置了熔斷器進行短路保護，避雷器防止系統由于閃電或牽引變電站故障所造成的過壓。

車輛配置2臺牽引逆變器、2臺制動電阻及冷卻單元、2臺輔助逆變器、4臺牽引電機和6個接地回流裝置。牽引變流器采用雙重逆變器模塊，每個牽引逆變模塊控制一臺電機，內部集成了雙向DC/DC模塊，對動力電池進行充放電。車輛主回路見圖3。

3 具體供電方案

3.1 站臺設置

基于動力電池的性能和停站時間的限制，僅靠停站時間無法補充足夠的能量，無法滿足能量的平衡，因此采用了動力電池和站臺接觸網相結合的供電方案。站臺區域設接觸網，每站設置90 m，沿站臺中心對稱分布（見圖4）。站間無接觸網，對城市景觀無影響。在有接觸網區域（列車進站、停站及加速階段）給動力電池充電，在站間無接觸網的區域由動力電池為列車提供電能。

3.2 動力電池系統配置

圖1 車輛編組

圖2 牽引制動特性曲線

圖3 車輛主回路

動力電池的具體配置受以下因素影響：（1）車輛性能，主要是車輛在無接觸網運行模式下的加速度和最大功率；（2）線路條件，主要是平均站間距和坡道；（3）輔助設備的功率。綜合以上幾方面，南京河西有軌電車1號線的動力電池選用能量密度和功率密度已優化的動力電池，具體參數見表1（每輛車配置2組動力電池，表中數據為1組電池的參數）。該電池單位體積質量存儲的能量大，體積小、質量輕，滿足低地板車的應用要求，適用于中長距離無接觸網的線路應用。

圖4 供電方案示意

表1 動力電池性能參數

3.3 充放電控制

在站間無接觸網的區段由動力電池供電，南京河西有軌電車1號線站間動力電池的能耗都在5 kW·h以內，采用站站補充能量的方案，在每站電制動期間、停站時間通過接觸網受電弓對牽引蓄電池進行充電；在出站加速的有網區段，通過受電弓對車輛進行供電的同時給動力電池進行充電。這樣，每站消耗的能量可以得到及時補充，車輛一直處于類似于初始的狀態，對持續運行的時間沒有限制。電池充放電狀態曲線見圖5。

3.4 冷卻系統

南京有軌電車1號線動力電池采用液冷的方案，保證精確的溫度控制，使電池工作在最佳的溫度范圍。在正常溫度范圍內，動力電池可以滿功率地充放電，超過一定溫度，開始限制電池的功率，達到更高的設定值則停止運營。

圖5 電池充放電狀態曲線

4 需求驗證

4.1 安全性

動力電池的設計考慮了動態的安全因素（如溫度和電壓），以保證安全運行。單元和模塊符合歐洲標準，同時系統考慮了以下幾種保護措施。

（1）冗余保護結構。由電池管理系統實現整體的控制、監測及與外部的通信；同時設置安全控制單元，實現了監控冗余。

（2）過壓和欠壓保護。避免過壓或由于深度放電而損壞部件，每個電池單元設置電壓測量單元，實現單體電壓的測量，并通過電池管理系統實現過壓和欠壓保護。

（3）過流保護。安全控制單元回路設置電流傳感器來測量電流，實現過流保護；系統設置主接觸器，在過流情況下電池管理系統可控制其斷開。在充電和放電過程中，電池管理系統不斷計算和實施電流限制，牽引變流器通過持續監控電池管理系統的電流限制來避免過流；通過線路熔斷器和電芯所帶的熔斷器，實現被動過流保護或短路保護。

（4）過溫保護。每個模塊設有多個溫度傳感器保證溫度測量，通過電池管理系統和安全控制單元實現過溫保護。

4.2 功率

由車輛的牽引特性可知，車輛的最大牽引功率為611 kW，2組動力電池的最大放電功率為720 kW，滿足車輛對儲能裝置功率的需求。

4.3 能量

目前，無論是電動汽車還是電動巴士，通常的做法是車載存儲裝置配置可運行一天的能量，如果有軌電車按照此種模式，以南京河西有軌電車1號線為例，每天運行17 h，每小時運營一個往返，每個往返消耗120 kW·h能量，則至少需配置2 040 kW·h，體積和質量無法承受。采用每站能量平衡的方案，車載的儲能需求可以大大降低，98 kW·h的能量就可完全滿足需求。

4.4 體積和質量

每組動力電池及其冷卻系統的體積為1 800 mm×950 mm×600 mm，質量為840 kg，可以滿足車輛對于儲能裝置空間和質量的要求。

4.5 壽命

影響動力電池壽命的主要因素為以下幾個方面：

（1）電芯的工作溫度。采用液冷方式并配置溫度控制單元，保證電芯工作在合適的溫度范圍。

（2）電池的充電狀態（SOC）。電池的初始容量選擇了50%，且消耗的能量可以得到及時的補充，因此一直處于可滿功率放電的狀態。

（3）電芯休息時溫度。電池組設置了保溫功能，若長時間停放可使電池處于一個比較好的溫度范圍內。

（4）充放電深度（DOD）。對蓄電池壽命周期影響最強大的一個因素就是充放電深度，鋰電池深度充放電壽命一般是幾千次，南京河西有軌電車1號線所選擇的動力電池放電深度為80%時的壽命為5 600次。本項目動力電池在運行過程中充放電的深度較小，由圖5可以看出放電深度在5%以內，工作在淺充放的狀態。電池供應商經過理論分析及試驗驗證證明：動力電池在淺充放的狀態下整個壽命周期可放出的容量約是深充放情況下的10倍左右。

南京河西有軌電車1號線車輛每年運行300 d，每天運行17 h，每小時運營一個往返，每個往返放電24次，每年動力電池的充放電次數為300×17×24=122 400次。

深充放電池整個壽命周期內可放出的能量為98×80%×5 600=439 040 kW·h，淺充放電池整個壽命周期內可以放出的能量約為4 390 400 kW·h。電池的壽命為4 390 400/5/122 400=7.17年。

因此，南京河西有軌電車1號線項目的動力電池壽命可以達到7年，滿足壽命的需求。

4.6 意外停車

電池的初始容量為50%，正常情況下一站消耗的電能為5%左右，約5 kW·h。兩站不充電，所需能量為15 kW·h；意外停車10 min，空調全載2 min，按照70 kW計算，空調半載8 min，按40 kW計算，70×120/3 600+40×480/3 600=2.3+5.3=7.6 kW·h；意外停車啟動3次（每次能耗2 kW·h），所需能量為6 kW·h。

即使以上幾種意外情況同時發生，所需的能量為15+7.6+6=28.6 kW·h，所配置的動力電池依然可以滿足能量的需求。因此，動力電池的方案不僅能滿足正常運營的要求，也能夠解決意外停車的情況。

5 結束語

無接觸網供電技術是低地板車輛領域新興的技術，是很有發展前景的技術。目前動力電池的發展水平可實現部分無接觸網供電，但對于全線無接觸網供電還有一定困難，實際運營效果也有待正式運營的檢驗。如果動力電池的功率密度進一步提高，壽命進一步改善，動力電池在低地板車輛無接觸網供電技術上的應用將具有更加廣闊的前景。

[1] 李娜，陳小洪，雄文. 考慮用戶偏好的有軌電車景觀研究[J]. 城市交通，2009(9)：72-77，20.

[2] 沈繼強. 現代有軌電車車輛選型和供電方式[J]. 中國市政工程，2012(5)：68-71，75.

[3] 柴適. 有軌電車供電新技術[J]. 城市公共事業，2011(4)：53-54.