100%低地板現代有軌電車混合動力系統研究

孫樹鑫 劉 斌 劉曉亮 張 杰

（1.唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心，河北 唐山 063000；2.唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心，河北 唐山 063035）

1 概述

在我國，帶有超級電容的混合動力系統應用較少，目前還處在起步階段，近年來在公共交通特別是城市有軌電車中逐漸被應用，但要使其高效、充分發揮效能，仍需要長期的實驗摸索和研究，首先我們要加深對混合動力系統了解，通過實驗有效控制其充放電參數，進而改變其性能，最終達到雙向電源（即斬波器）與蓄電池及超級電容的最優匹配。

2 混合動力系統組成及工作原理

現代城市有軌電車混合動力系統主要由雙向DC/DC變換器，超級電容和蓄電池組成。

混合動力系統為雙向DC/DC電源系統，當車輛正常運行時，雙向斬波器將DC750V網壓轉換成兩路DC480V分別給蓄電池、超級電容充電，當通過無電區時，系統可以將超級電容、蓄電池的電壓轉換成DC750V的電壓回饋車輛牽引及輔助供電系統。由超級電容與蓄電池組成的混合動力系統，使蓄電池比能量大和超級電容器比功率大的特點相結合，無疑大大提高了電力儲能裝置的性能。超級電容與蓄電池并聯使用，可以增強混合電源的負載適應能力，特別是對于大功率脈動負載，超級電容與蓄電池并聯混合使用，能夠降低蓄電池的內部損耗、延長其放電時間、增加使用壽命，超級電容的存在還可以縮小電源的體積、改善可靠性和經濟性。

2.1 DC/DC雙向變換器

DC/DC雙向變換器有兩種工作模式，即正向工作模式和反向工作模式，當電能正向傳輸時，變換器將DC750V的網壓降到DC480V，為混合動力系統蓄電池及超級電容充電；當能量反向傳輸時，變換器將混合動力系統DC480V的升到DC750V，將電能回饋給車輛牽引及輔助系統，保證車輛正常運行。

2.2 蓄電池

混合動力系統用蓄電池選用鋰電池，鋰電池具有較高的能量密度，耐充放電，自放電率低、無記憶效應、高低溫適應性強等優點，同時鋰電池又具備高功率承受能力，便于車輛平時的高強度的啟動加速。

2.3 超級電容

盡管混合動力系統采用了鋰離子電池組作為車輛通過無電區域的動力電源，但是有軌電車牽引系統對儲能系統的能量密度和功率密度要求較高，如果單獨采用蓄電池組不能滿足車輛在這兩方面的要求。

同時，在車輛啟動、加速時，電池要經常遭受大放電電流的沖擊，電池壽命將因此急劇衰減，如果頻繁更換蓄電池，這對成本控制也是一個極大的考驗。

另外，蓄電池所需充電時間較長，車輛在制動時產生能量不能及時有效的回收，也是單一使用蓄電池組所存在的重大缺點。

超級電容與鋰離子蓄電池聯用作為車輛的動力系統，在車輛正常行駛過程中，超級電容提供車輛需要的峰值功率。與此同時，通過DC/DC變換器控制系統，可以實現制動能回收。

另外，超級電容還通過控制系統從蓄電池系統快速充電，并為車輛下一次對峰值功率要求做好準備。因此，可以看出，在混合動力系統中，超級電容的存在減少了蓄電池的功率負荷，避免了大電流沖擊蓄電池，延長了蓄電池壽命。

3 充放電實驗

圖1 蓄電池組充放電實驗曲線

蓄電池：采用DC750V電源箱為混合動力系統供電，保持蓄電池充電電流80A，如上圖1實驗曲線所示，經過32min蓄電池箱充電完成，此時蓄電池組電壓接近510V；此時送入牽引信號，負載采用水阻，啟動混合動力電源箱蓄電池DC/DC，調節V1端的電壓為DC750V，將蓄電池端的電流加到120A持續運行，蓄電池組能夠持續放電22mim以上。

超級電容：采用相同電源箱對超級電容進行充電，充電電流300A，經過34s，如上圖2實驗曲線所示，超級電容達到額定電壓450V；送入牽引信號，采用水阻，保持V1端的電壓為DC750V，將超級電容端的電流加到700A持續運行，超級電容持續放電25秒以上。

圖2 超級電容充放電實驗曲線

由以上兩個充放電曲線可以看出，蓄電池充電完成瞬間比超級電容充電完成瞬間電壓壓升大很多，主要原因在于蓄電池等效電阻較超級電容大很多，減小等效電阻阻值，有利于提高端電壓的工作效率。

結語

經過系統充放電試驗，證明現代城市有軌電車所采用的混合動力系統，蓄電池組儲存能量基本能夠保證車輛順利經過指定長度無電區；系統超級電容對于車輛制動能量的吸收及時可靠，保證了車輛啟動瞬間能夠提供足夠的大功率電能；系統能夠滿足現代城市有軌電車的性能要求。

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