輕軌車輛鋰電池車載儲能系統仿真分析

王似玉

摘 要：輕軌列車車載儲能裝置可以吸收利用車輛的再生制動能量，穩定直流網電壓，防止再生失效，是近年來城軌交通領域的研究熱點。近兩年功率型鈦酸鋰電池的出現，使得鋰電池的充放電速率、功率密度等性能有了大幅度的提高，鋰電池越來越符合城軌車輛儲能裝置的需求。本文利用MATLAB軟件對輕軌車輛鋰電池車載儲能系統進行仿真分析。

關鍵詞：輕軌交通牽引；車載儲能系統；鋰電池；再生制動

中圖分類號：TM922.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0080-01

1 引言

輕軌列車的制動能量十分可觀，約占總牽引能量的30%-40%[1-2]。我們應該有效的回收利用。本文設計了一種基于輕軌車輛的鋰電池儲能裝置，主要功能是回收列車的再生制動能量，并在列車啟動過程中釋放存儲的能量，承擔部分牽引負荷，同時抑制由于列車頻繁啟動、制動造成的牽引網的大幅度電壓波動。

2 車載儲能系統結構

輕軌交通采用直流供電系統，列車通過受電弓從接觸網或者第三軌獲得直流電，再通過牽引變流器給牽引電機供電。車載儲能裝置通過雙向DC/DC變換器并聯在牽引網上[2]。當車輛啟動時，儲能裝置向牽引網放電，抑制網壓下降；當車輛制動時，儲能裝置回收再生制動能量，緩解網壓抬升。輕軌車載儲能系統的拓撲結構如圖1所示。

3 車載儲能系統控制策略

由于列車處于牽引工況時，啟動電流很大，線路電阻上的壓降比較大，導致牽引網電壓跌落嚴重[1]；列車惰行時，牽引網電壓基本維持在變電所空載時的電壓值；列車制動時，逆變器向牽引網饋送再生制動能量，由于變電所使用的是二極管不控整流，能量無法回流，導致大量能量囤積在直流網上，進而網壓升高[2]。因此，直流網電壓可以作為儲能裝置充放電的控制信號。此外，為了保證儲能裝置的正常工作，其自身也有電壓和電流的限制，充放電應在安全電流范圍內進行。車載儲能裝置的控制策略如圖2所示。

控制策略中為實際直流網側電壓，為充放電動作電壓，為鋰電池實際充放電電流，為經PI計算后的充放電控制目標電流。分別為外環電壓和內環電流的限制單元，防止鋰電池的過流充放電，最終的PWM控制信號作用于雙向DC/DC電路中的IGBT開關管上。

4 車載儲能系統的仿真分析

圖3為仿真中使用的日本輕軌列車牽引功率曲線。直流牽引網的額定電壓為600V（日本），其允許的電壓波動范圍是600±50V。

仿真中使用的功率型鈦酸鋰電池是由日本東芝公司生產的，型號為MP146396PAJ，與普通鋰電池相比它最大的優勢就是功率密度大大增加，快速充放電的能力得到提高。

用該鋰電池作為儲能介質進行的列車模型仿真結果分別如圖4所示。

上述仿真結果驗證了車載儲能系統拓撲結構和控制策略的可行性，儲能裝置可以有效回收列車的制動能量，穩定直流網壓波動。并且在這方面，鈦酸鋰鋰電池充放電性能表現很優秀。

參考文獻

[1]陶章榮，潘愛強.城市軌道交通能饋式再生制動技術及其對電網的影響[J].華東電力，2009，37（12）：2035-3037.

[2]溫兆鵬.Translohr系列現代有軌電車技術特點與運營問題研究[J].城市建設理究，2012，（35）.