全線無接觸網儲能式有軌電車混合動力及其自動控制策略應用研究

楊旭

摘 要 利用電容和電池混合儲能的高能量密度和高強度電流能力的優勢，結合線路特征，通過能量仿真計算，研究混合供電自動控制技術，實現混合動力技術對全線無接觸網有軌電車的續航能力、運行時效性和經濟性的提升，通過混合動力技術的研究及驗證，以推廣系統在有軌電車領域的廣泛應用。

關鍵詞 混合動力 超級電容 電池 儲能式無接觸網有軌電車 自動控制

中圖分類號：U268.4 文獻標識碼：A

0引言

現代有軌電車系統是城市軌道交通的新方式，具有安全高效、節能環保、科技時尚、投資少、見效快等特點。與公共汽車相比，它運量大、速度快、污染小、安全、舒適、使用壽命長；與地鐵相比，其建設速度快、工程投資少、運營費用低、維修更方便。

儲能式現代有軌電車采用車載儲能電源，牽引時儲能電源作為牽引動力電源放電；制動時采用全再生制動，動能轉化為電能儲存在儲能電源中，提高了能源利用效率。其利用車輛停站上下客的時間（約30秒）給車載儲能電源充電；走行軌不再作為回流通路，對沿線設施無電腐蝕。其能實現車輛無接觸網運行，電網電能損耗低；全線路無需配置接觸網，線路建設投入和維護成本低，消除了城市上空的接觸網視覺污染，代表了未來現代有軌電車的技術發展趨勢。

車載儲能電源采用超級電容和電池作為儲能元件，利用超級電容放電倍率大儲能能量較少，電池高放電倍率較小但儲能能量大的特點，研究超級電容與電池的混合供電技術，實現儲能式有軌電車動力性能和儲能增程的要求。可適應用戶線路交通擁堵情況時的車輛用能要求及用戶線路越站不充電要求，提升了運行時效性和經濟性。通過混合動力技術研究，以推廣該種儲能技術在有軌電車領域的廣泛應用。

1車輛參數及性能要求

1.1車輛基本概況

1.1.1供電型式

區間無接觸網，通過車載儲能電源提供能量及回收再生能量；

車站設置接觸軌，通過受電器受電，并給車載儲能電源快速充電。

儲能電源供電電壓：額定DC750V（變化范圍DC500V～DC900V）

1.1.2列車編組型式

車輛由五模塊組成，包含2臺動力轉向架和1臺非動力轉向架。編組形式：=Mc1+F1+T+F2+Mc2= ，車輛編組如圖1所示。

（=： 連掛車鉤，+： 鉸接、貫通道及車間減振器）

車型： Mc1、Mc2：帶司機室的動力模塊；T： 非動力模塊；F1、F2：車輛懸浮模塊；

1.2車輛基本技術參數

（1）列車總重：50.33t/68.57t/73.31t（AW0/ AW2/ AW3）

（2）輪徑：650/620/590mm（新/半磨耗/全磨耗）

（3）齒輪傳動比：6.542

（4）列車動力性能要求：

車輛最高運營速度 70km/h

在平直道，車輪半磨耗，AW2載荷，額定電壓條件下：

啟動加速度（0～40 km/h）≥1.0m/s2

平均加速度（0～70km/h） ≥0.7m/s2

常用制動平均減速度（70 km/h～0包括響應時間） ≥1.1 m/s2

列車牽引和電制動特性曲線如圖2：

1.3車輛線路使用條件

以某車輛用戶線路情況為例，線路總長約8.3km，共15個站。用戶全線路僅設置6個充電樁，車輛在其他站點車輛無需充電，且區間需考慮至少兩個十字路口等待時間。用戶的主要線路情況如表1：

2混合動力系統

2.1混合控制策略及系統介紹

車輛采用2臺超級電容箱和1臺動力蓄電池混合供電，超級電容和蓄電池并聯給車輛高壓母線供電，蓄電池前端設置雙向DC/DC，用于蓄電池的充放電控制。混合供電主要策略為：

（1）超級電容作為車輛牽引主要動力，當超級電容電壓低于一定門檻值時，蓄電池開始投入補充能量。蓄電池開始投入的門檻電壓值根據線路仿真結果確定。

（2）制動時車輛再能制動能量優先反饋至超級電容，超級電容高于一定門檻值時，蓄電池開始吸收多余的再生能量。

（3）車輛十字路口停車等待或停站不充電時，由蓄電池給車輛供電。

混合供電控制策略由蓄電池前端的雙向DC/DC控制實現。

車輛高壓主電路如圖3所示。

2.2混合動力系統基本技術參數

2.2.1超級電容組

額定容量：75F

工作電壓：DC500V-900V

額定電量（單臺）：5.716Kwh

循環壽命：≥1，000，000（25℃，2.7V～1.35V，300A）

2.2.2動力蓄電池

額定容量：59.5Ah

工作電壓：448V～604.8V

額定電量總能量：30.6544kWh

持續充放電電流：360A（6C）

使用循環壽命：>10000次

2.2.3雙向DC/DC變換器

3能量仿真計算

3.1仿真主要條件說明

（1）仿真計算考慮超級電容組全壽命周期內20%的容量衰減，正常運行時儲能電源最低放電電壓為DC 500V。2組超級電容組可用能量約為9.146Kwh。

（2）動力電池按儲存電量為30.65 kwh，可用電量24.52 kwh，持續放電能力6C，360A。持續輸出功率約為180KW。

（3）整列車輔助功率約50KW。

（4）考慮線路站間距較短，建議按限速50km/h。

3.2仿真結果

由上圖可以看出，車輛按2組儲能電源+1臺鈦酸鋰蓄電池混合供電方案，車輛限速50km/h，滿足用戶線路設置6個地面充電樁的要求。蓄電池投入時超級電容電壓值建議為DC600V，蓄電池消耗能量約為9.579kwh，蓄電池剩余能量可以用于交通擁堵停車時間和紅綠燈等待時間，具有較大余量。

4結束語

通過對混合動力系統的研究及用戶線路的仿真計算，實現了混合動力系統儲能增程的初步驗證。該混合動力系統結合超級電容功率密度大和蓄電池能量密度大的特點，完全滿足全線路無接觸網有軌電車的動力性能和能量需求，并提升了用戶線路成本、運行時效性。通過混合動力系統與低地板有軌電車的完美集成，符合有軌電車這一新型交通工具的“綠色環保”、“環境友好”等特點，通過混合動力技術研究，以推廣該種儲能技術在有軌電車領域的廣泛應用。

參考文獻

[1] CJ/T 417-2012，低地板有軌電車車輛通用技術條件[S].