對一種基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路分析

劉玥

摘 要：本文主要對一種基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路進行了研究分析，是指根據儲能元件的不同，其特性也會存在一定的差異，在軌道交通混合動力系統電路中激發儲能元件不同的性能優勢。這種電路在機車大功率運行的情況下，可以滿足機車運行的功率需求;在再生制動的情況下，可以符合能量吸收的要求;在續航里程的情況下，可以滿足機車的能量需求。本文首先對基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路結構與原理進行了闡述，然后對基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路的工作模式進行了總結，希望可以為基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路的正常運行提供參考價值。

關鍵詞：混合動力;儲能元件;軌道交通

現階段，在軌道交通車輛中，是采取電網受流的方式，這樣在通過無電區的時候，不能激發自身的牽引力，在軌道交通車輛采取內燃驅動的情況下，在駛入隧道之后，需要嚴格控制廢氣的排放，通過運用車載儲能動力的混合動力驅動的方式，不僅可以在無電區中進行低效運行，同時還可以解決隧道內污染排放的問題。目前在儲能元件中，主要包括了蓄電池和超級電容等等，蓄電池主要分為鉛酸電池、堿性電池、鋰電池等等，通常情況下，采用鋰電池作為機車的動力蓄電池，其原因是能量密度和功率密度較大。對于超級電容器而言，屬于一種新型的電容器，其具備的功率密度較大。在純電動車輛和混合動力車輛中，鋰電池的應用范圍越來越廣，但是在運用大電流充放電方式的情況下，不僅會影響鋰電池的使用壽命，同時會影響鋰電池的運行效率。對于超級電容器而言，可以快速進行大功率充放電。在能量密度較低的情況下，無法獨立完成車載儲能元件的任務。因此，在解決軌道交通動力驅動問題的過程中，最有效的方案為將超級電容與鋰電池進行結合。

1 基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路結構與原理

基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路主要的組成部分包括了防反二極管、充電機、鋰電池、超級電容、輔助逆變器、牽引變流器、DC/DC變流器、主變壓器、接觸器=11-K03、=11-K01、=11-K02、整流器、牽引電機、高度斷路器^[1]。

在輸電電壓方面，鋰電池與超級電容進行比較的情況下，其存在的差距較大，在鋰電池與超級電容進行組合的過程中，是通過運用DC/DC變流器（其中DC/DC變流器的工作原理為Buck-Boost（升降壓）電路），對DC/DC變流器的控制，可以處以降壓或者升壓的狀態，從而在鋰電池和超級電容之間，實現能量的傳輸^[2]。對于超級電容，在直接與直流母線進行連接的情況下，可以對機車功率的需求進行快速響應，例如，在對機車再生制動進行即時吸收的過程中，會存在回饋的能量，在機車處于牽引階段的情況，會釋放這種能量，然后對于再生制動的能力，可以得到高效的回收利用，同時還可以在直流母線電壓中發揮穩定的作用。在機車處于大功率牽引運行的情況下，或者超級電容能量即將耗盡或充滿時，鋰電池可以通過DC/DC變流器，吸收揮著補充超級電容的能量，通過自身具備能量密度大的特性，可以滿足機車續航里程的需求，同時還可以有效的避免出現鋰電池直接向直流母線大電流充放電的情況，延長鋰電池的使用壽命。在DC/DC變流器中，主要負責的工作為儲能動力包的功率以及能量管理，同時還可以對超級電容與鋰電池之間的能量傳輸現象進行合理調整，因此DC/DC變流器在儲能動力包充放電控制中發揮著重要的作用^[3]。在超級電容與機車網絡控制系統進行通訊的過程中，是通過運用CAN總線，而在鋰電池與機車網絡控制系統進行通訊的過程中，是通過運用DC/DC變流器。在DC/DC變流器運行的過程中，是根據設定的工作模式執行條件，判斷供電電源的方式，是將鋰電池的電壓轉換為超級電容電壓，還是將超級電容電壓轉換為鋰電池電壓，從而可以給車上的其他負載設備進行供電。

2 基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路工作模式

在基于儲能元件的軌道交通混合動力系統中，其中供電模式包括了兩種：電網模式和儲能動力包模式^[4]。具體如下：

2.1 電網模式

在機車供電模式為電網模式的情況下，其電網電流通過主變壓器和整流器之后，會進入到機車中間的直流回路，這時對于接觸器=11-K01，會處于閉合的狀態，并且高度斷路器的狀態為閉合，而接觸器接觸器=11-K02斷開的狀態為斷開，而電流通過牽引變流器，會轉化為三相交流電，然后讓機車的牽引電機進行供電工作。同時，接觸器=11-K03的狀態為閉合，然后由輔助逆變器通過充電機之后，會向儲能動力進行充電，另外，對于輔助逆變器而言，會向個輔助負載進行供電。在此情況下，充電機會向超級電容進行充電，而超級電容通過DC/DC變流器之后，會向鋰電池進行充電。在機車處于再生制動的情況，那么牽引電機會產生一定的回饋能量，在通過牽引變流器之后，會經過輔助逆變器以及充電機，向儲能動力包進行充電，同時通過輔助逆變器的利用，可以向輔助負載進行供電^[5]。

2.2 儲能動力包模式

在機車供電模式為儲能動力包模式的情況下，那么接觸器=11-K02的狀態為閉合，而接觸器=11-K01和=11-K03的狀態為斷開，并且高度斷路器的狀態也為閉合。在儲能動力包通過高速斷路器之后，不僅會向牽引變流器進行供電，同時還會向堵住逆變器進行供電。在機車處于小功率牽引的情況下，只僅僅依靠鋰電池，就可以向機車的運行輸出能量。在此情況下，對于超級電容的作用，可以穩定直流母線的電壓。在機車功率增加的情況下，例如重載運行、爬坡和啟動等等，這時超級電容和鋰電池，會共同進行放電工作。在機車再生制動的過程中，其中牽引電機會產生一定的回饋能量，在通過牽引變流器之后，經過輔助逆變器和充電機，會向儲能動力包進行充電工作，通過通過利用輔助逆變器，牽引電機產生的回饋能量輔助負載進行供電工作^[6]。

3 結語

綜上所述，本文基于儲能元件，對軌道交通混合動力系統電路進行了闡述，其中具備的特性主要包括了以下幾點：對于功率型的超級電容，可以結合能量型的鋰電池，而鋰電池會通過利用DC/DC變流器，與超級電容進行組合，而DC/DC變流器通過升壓和降壓模式的轉變，可以在鋰電池與超級電容之間，實現能量的傳輸工作，這不僅利用了鋰電池能力密度高的特點，并且還根據超級電動功率密度高的特性。同時對于超級電容而言，在直接與直流母線進行連接的情況下，不僅可以快速響應機車的功率需求，還可以對直流母線電壓起到穩定的作用。在基于儲能元件的軌道交通混合動力系統電路中，可以實現機車在兩種供電模式下工作，分別為儲能動力包和電網模式，在機車通過無電區的時候，可以充分激發機車的大功率牽引力，在機車運行的過程中，需要對機車再生制動的能量進行回收利用，從而可以保證機車運行的節能環保。

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