有軌電車混合動力系統典型站點之間的控制策略分析

郭磊　張鑫　鄧晨　李軍　韓聳　孟學東

摘要：本文介紹了有軌電車混合動力系統的構成結構，并對組成混合動力系統的不同形式的動力源進行了優劣分析。通過分析有軌電車在典型站點間的行駛過程中，其上搭載的混合動力系統的超級電容與鈦酸鋰鋰離子電池的電能輸出情況，給出了混合動力系統中兩種動力源較為合理高效的分工控制策略。

關鍵詞：混合動力;有軌電車;超級電容;鈦酸鋰鋰離子電池（LTO）控制策略

中圖分類號：U267.1 文獻標識碼：B 文章編號：1003-9082（2020）04-0-01

一、混合動力系統常用電源特性分析與比較

蓄電池充放電的過程就是電池內部化學能與電能相互轉化的過程，主要的優點是安全性好、價格便宜、適用范圍廣。目前，用于車用的蓄電池的主要有：鎳氫電池、鋰離子電池、鈦酸鋰鋰離子電池（LTO）、鉛酸電池等。

LTO為一種新型的負極材料，可以與三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等鋰離子電池中的正極材料搭配，組成LTO鈦酸鋰鋰離子電池，組成的電池具有優異的循環性能、大電流充放電性能、良好的低溫性能和出色的安全性能，被認為是下一代鋰離子電池負極材料的有力競爭者，而其優異的安全特性和低溫性能，特別適合在軌道交通行業的高要求。本文將選用LTO鋰離子電池（簡稱LTO）作為混合動力系統中除了超級電容之外的主要組成。

二、混合動力系統拓撲結構分析

在混合動力系統中，將鋰離子電池的比能量優勢和超級電容的比功率優勢結合起來，根據實際情況和設計需求決定系統的拓撲結構選擇，搭建出經濟性能良好的混合儲能動力系統。總動力系統的電氣拓撲圖基于伊利諾斯理工大學的Cao等人提出的半主動式復合儲能系統構型[1].該系統構型中，電池和超級電容之間使用了一個雙向DC/DC變換器和一個二極管（或受控開關），DC/DC變換器可以保證在大多數工況下超級電容的電壓高于電池的電壓，但只有在超級電容電壓低于電池電壓（閥值）或者控制人員直接切換輸出源的情況下，電池則可不經過DC/DC而直接提供能量。因為電池也不直接參與回收制動能量，所以電池的負載相對平穩，該構型有利于延長電池的使用壽命。

圖1;半主動式構型

詳細的電池系統和DC/DC的電路拓撲圖如圖2.

圖2;電池系統拓撲圖

三、混合動力有軌電車控制策略

車輛參數：牽引力62kN、AW3 重量：55t、最高速度70km/h、輔助功率50kw。能量配置為：超級電容儲能單元10kWh，LTO儲能單元30kWh。行進過程中，優先采用超級電容的能量輸出工況，但駕駛員也可以依據具體情況切換輸出能量源。控制思想如下：

（1）牽引狀態：優先采用超級電容供電，在超級電容電能不足的情況下，采用動力電池補充;

（2）制動狀態：優先采用超級電容能量吸收，適電容容量情況及車速，保證超級電容留有一定的余量，以便下一次制動吸收;

（3）所有上述操作對司機來說是透明的;

車輛在首站將超級電容充電到900V，動力電池通過DC/DC單元充滿電（設計的滿電點）。車輛剛開始啟動時由超級電容直接供電，DC/DC單元不工作（當且僅當超級電容電壓低于680V時，DC/DC單元才工作），運行過程中超級電容電壓會隨著車輛的運行而降低，如果有突然的制動工況，則由超級電容直接進行能量吸收，若母線壓低于680V，則DC/DC開始滿功率工作，向高壓母線供電，并隨著車輛速度的提升限流降壓。

四、基于控制策略下的儲能系統輸出

例1.以某兩個具體站點耗能仿真計算為例，站點行駛距離860米，間隔時間149s，超級電容放電電量及LTO鈦酸鋰儲能單元總共貢獻4.25kWh，其中，超級電容放電約4.25kWh，LTO鈦酸鋰儲能單元放電為零，制動回饋約0.64kWh。

在此段站點之間，超級電容儲能單元作為主要的動力輸出源，提供了全部的能量輸出，相對應的，LTO鈦酸鋰儲能單元則并未放電。

總結

通過構建合理的控制策略和適當的儲能系統能量配置，超級電容與鈦酸鋰鋰離子電池混合儲能在有軌電車的實際應用中，短航程中，由超級電容作為主要的動力輸出源，長航程中，由鈦酸鋰系鋰離子電池作為主要動力輸出源，超級電容負責削峰填谷。兩者結合完全可以在有軌電車混合動力車型中占有一席之地。此外，鈦酸鋰系鋰離子電池儲能單元也可以在超級電容無法使用或者中途充電站損壞的情況下，作為主要儲能單元負責整車的運行。

參考文獻

[1]CaoJ，EmadiA.Anewbattery/ultracapacitorhybridenergystoragesystemforelectric，hybrid，andplug-inhybridelectricavehicles[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2012，27（1）：122-132.

作者簡介：郭磊（1985-），男，漢族，碩士，主要研究方向有軌電車混合動力系統優化。