儲能式有軌電車儲能系統工作組數診斷及充電控制的研究

文 午，付 鵬，張偉先，胡潤文

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

儲能式現代有軌電車儲能系統采用多組并聯工作模式作為車輛的動力電源。車輛通過主動駛入站臺，通過地面充電系統進行充電，為儲能系統補充電量。儲能系統過電流充電會導致儲能元件過熱或過電壓，同時會加快儲能元件的壽命衰減。當儲能系統單組或多組儲能電源故障時，因儲能系統和地面充電系統無數據通信，需要充電系統能實時檢測及計算儲能系統的容量，判斷儲能系統的工作組數，自動調整充電電流，不過電流充電，并以最快速度補充儲能電源的電量，最大限度地保證車輛可靠運行。

1 儲能系統工作組數判斷方法

超級電容儲能系統單體串并聯成組后的容量計算公式

(1)

N為單體并聯數，M為單體串聯數，c1為單體的容量。

(2)

在同一時刻，車輛儲能系統的充電電流是一致的，儲能電源的容量C反比與電壓上升值ΔU。為減小系統的計算量，通過檢測固定周期ΔT內，儲能電源總電壓上升值ΔU，作為儲能電源工作組數的判斷依據。

根據儲能式有軌電車儲能系統多組并聯工作模式，分析車輛進出站的工作狀況，影響電壓上升率計算的因素主要有：①車輛進站制動時，制動能量向儲能系統充電，影響檢測電流的數值。②充電系統恒流充電時，存在一定的穩流偏差。③車輛儲能系統在充電中，輔助設備一直在工作，消耗一部分充電能量。④電壓傳感器檢測精度存在誤差，影響電壓的值實際采樣準確度。⑤儲能電源的運營一段時間后會出現容量衰減。

針對以上影響因素，充電系統進行如下處理。

1)充電系統在檢測到車輛進站，在初始階段以試驗電流充電，不進行容量計算，主要避免車輛制動時，回收的能量對計算的影響。如車輛進站接觸到充電軌至停車的距離為s1≈10 m，車輛常用制動平均減速度為a1≥1.2 m/s2，則：

(3)

該時間可根據實際情況進行多次測量，根據計算值并預留一定的裕量，取值為5 s。

2)為盡量縮短車輛充電時間，檢測時間盡量縮短，只需要區分儲能電源工作組數，不需要精確測量電壓上升率，根據穩流精度系數、輔助負載最大工作電流、電壓傳感器采樣精度系數和容量衰減系數，綜合綜合計算，計算固定時間周期內，在恒流工況下，電壓上升的極限值，并根據極限值進行不同組數工作時，電壓上升區間的劃分，從而進行組數的判別，和充電電流調整。電壓上升率計算公式：

(4)

k1為電壓采樣精度系數，k2為穩流精度系數，k3為容量衰減系數；IA為輔助負載最大工作電流。

以某儲能式車輛的儲能系統配置進行電壓上升率計算。儲能電源系統配置方案為：2并344串7 500 F超級電容組成一個儲能電源箱，3組儲能電源箱并聯組成車輛的儲能系統，車輛輔助負載最大工作電流50 A，車輛停止時間5 s。充電系統穩流精度為1%，電壓采樣精度為1%，檢測電流為1 000 A，檢測周期時間3 s，電壓上升率區間計算見表1。

根據表電壓上升率計算表，進行工作組數的判斷：

(5)

2 充電系統充電控制方法

充電系統通過車輛進站信號，開始以檢測電流進行恒流充電，持續計算的停車時間T1后，開始按照固定周期時間(T2-T1)進行電壓上升率的計算(V2-V1)，按照計算的不同組數的電壓上升率區間，進行工作組數n的判別，按照組數允許的最大工作電流進行自動調整。控制邏輯圖見圖1。

表1 儲能系統電壓上升率區間計算表

圖1 充電系統充電控制流程圖

3 試驗驗證

根據方案，在某線路儲能式有軌電車進行試驗，試驗步驟及數據如下。

1)試驗1：通過人工計時檢測，車輛進站時間在4～5 s。

2)試驗2：車輛按照正常運營情況，不打開任何輔助負載，充電系統檢測到車輛進站后，1 000 A充電5 s后，繼續1 000 A充電3 s后，檢測電壓上升率。儲能系統電壓上升率波形如圖2。

儲能系統電壓上升率數據如表2。

(a)2組儲能電源電壓上升率波形 (b)3組儲能電源電壓上升率波形

表2 儲能系統電壓上升率數據記錄表(不開輔助負載)

3)試驗3：車輛按照正常運營情況，輔助負載全開，充電系統檢測到車輛進站后，1 000 A充電5 s后，繼續1 000 A充電3 s后，檢測電壓上升率。儲能系統電壓上升率波形如圖3。儲能系統電壓上升率數據如表3。

(a)2組儲能電源電壓上升率波形 (b)3組儲能電源電壓上升率波形

表3 儲能系統電壓上升率數據記錄表(輔助負載全開)

4)試驗4：自動調整充電流試驗：設置充電電流1 300 A，檢測電流1 000 A，2組工作時，1 200 A電流充電，3組工作時1 300 A。

不開輔助負載時，充電系統自動調整充電電流波形圖如圖4。

輔助負載全開時，充電系統自動調整充電電流波形圖如圖5。

(a)2組儲能電源充電電流波形 (b)3組儲能電源充電電流波形

(a)2組儲能電源充電電流波形 (b)3組儲能電源充電電流波形

根據以上數據和波形圖可知：在1 000 A恒流充電3 s情況下，2組儲能電源工作時，電壓上升率在33.9～37.7 V，3組儲能電源工作時，電壓上升率在22.4～26.2 V都在理論計算值范圍；車輛進站時間人工檢測大概在4～5 s，與預估的時間為5 s差不多，充電系統能夠按照電壓上升區間進行車輛儲能系統工作組數的判別，并實現充電電流的自動調整。

4 結語

雖然地面充電系統判斷充電車輛儲能電源的工作組數需要在充電前階段8 s內，降低充電電流，但相對于3組儲能電源正常充電時，僅增加了3 s充電時間，對于大部分項目，車輛停站時間都在30 s左右，增加的3 s時間對車輛運營影響不大。若要提高組數判別的準確度，可以延長計算電壓上升率時間段的充電時間，電壓上升率絕對值變大，不同組數間電壓上升率差值也變大，受器件采樣精度等的影響比例要小些。通過此方案的實施，可以提高車輛儲能系統的可靠性。