無接觸網供電城軌車輛制動力分配策略研究

楊倫雙

0 引言

現代交通中有軌電車是一種開放式的軌道交通系統，其一般行駛在城市道路上，是一種平交制式的交通系統[1]。目前有軌電車的供電接觸網給城市景觀造成視覺影響，為了解決這一問題，一種現代有軌電車新型供電技術—無接觸網供電技術在現代有軌電車中逐漸應用。無接觸網供電技術是一種新型的為列車供電的技術，該技術消除了傳統架空接觸網及支柱對城市景觀的破壞，而且更加安全。無接觸網供電車輛主要有地面供電和車載儲能兩種技術類型，目前在一些項目中已經成功投入商業運營。

無接觸網供電車輛采用電機作為動力部件，在車輛制動過程中可以利用電機制動發電特性來回收制動能量。大約有30%～60%的能量被消耗在制動過程中[2～4]，提高車輛制動能量回收率對于降低電車能耗，增加無接觸網供電車輛續航里程具有重要意義[5，6]。目前，對車輛制動能量回收的研究主要集中在汽車領域，并且已取得了大量的研究成果，但在有軌電車方面國內研究基本還處于發展階段，現有電車應用的制動方法也多為比較簡單的策略。目前關于機械制動和電回饋制動轉矩的分配問題也均為憑借經驗進行的定性分析，缺乏詳細的理論分析和驗證過程，各種制動模式差別也只是給出仿真結果，并沒有實際驗證。

本文提出一種運用于無接觸網供電車輛的制動能量回收優化方法，通過對制動過程中無接觸網供電車輛總制動轉矩、電機制動轉矩的計算并結合蓄電池所能吸收最大制動功率，得出機械制動制動轉矩，保證在制動過程中的最大電制動效果。

1 系統拓撲及其最大充電電流的確定

1.1 系統拓撲

圖1 所示為無接觸網供電車輛動力部分拓撲結構，車輛供電采用耦合線圈與儲能模塊共同供電的方式，耦合線圈通過非接觸方式將交流電能傳送到車輛，車輛上整流模塊將交流電轉換為直流電，在車輛啟動加速時整流模塊得到的直流電經單向DC/DC，儲能模塊直流電能經雙向DC/DC、DC/AC輸送給電機。制動過程中，電機產生的制動能量經雙向DC/AC、DC/DC 輸送給儲能模塊[7，8]。

圖1 車輛動力系統拓撲

1.2 最大充電電流確定

為使制動過程中的制動時間t0內蓄電池吸收最大的電能，需要計算合適的充電電流。充電電流ic(t)越大，儲能模塊存儲的電荷量越多，電能儲存的也就越多，相應計算見式（1）—式（4）。

吸收的電荷量q：

式中：ΔQ為電荷變化量；Δt為充電時間；Q為充電電量；U為充電電壓；C為電容容量。

根據式（1）—式（4）推導可得，當充電電流最大時儲能模塊存儲的能量將最大。因此，確定流進儲能模塊的最大充電電流對制動能量回收率的提高有著至關重要的作用。

最大充電電流受到電路各部分參數的限制，下文將根據電流路徑分別討論異步電機允許最大電流、電力電子變換器件允許最大電流、儲能元件允許最大充電電流。

1.3 儲能元件允許最大充電電流icmax

不同儲能元件所能允許的最大充電電流不同，蓄電池中鈦酸鋰和三元鋰電池所允許的最大充電電流不同，選取不同的儲能元件應確定合適的最大充電電流。對于三元鋰電池，若儲能元件為超級電容，由于超級電容具有較大的充放電能力，因此對充電電流限制的主要器件為雙向DC/DC。

1.4 DC/DC、DC/AC 允許的最大電流ibmax

電力電子變換電路允許的最大電流取決于器件具體的結構，最大電流有效值不能超過其電流額定值iN、功率二極管正向平均電流iF、正向浪涌電流iFSM、晶閘管通態平均電流iT及通態浪涌電流iTSM。

若儲能選用超級電容，則對超級電容充電電流的限制主要為雙向DC/DC 允許的最大電流[9，10]。

1.5 異步電機允許的最大電流idmax

電機允許的最大電流取決于定子最大電流idmax，定子最大電流可以設定為電機運行的額定電流，異步電機作為發電機運行時，保證電流有效值在額定電流以下可以保證電機的安全運行。

2 能量回饋優化方法

由異步電機定子側的電源頻率可以求得異步電機同步轉速n0：

式中：f0為定子繞組三相電源頻率；p為極對數。

當異步電機的實際轉速小于同步轉速時，電機正常運行，電機將電能轉化為機械能；當異步電機的實際轉速大于同步轉速時，電機處于制動狀態，電機將機械能轉化為電能。異步電機等效電路如圖2 所示。

圖2 異步電機等效電路

電機作為電動機工作時，滿足如下功率關系：

式中：Pmec為機械功率；P為超級電容充電功率；PCu及PFe分別為電機銅耗和鐵耗。

根據功率、轉速、轉矩之間的關系可以得到電制動轉矩Te：

式中：n為轉子實際轉速；Ω為轉子角速度。

為化簡計算，忽略電機損耗以及雙向DC/DC的損耗，式（8）可化簡為

ic(t)滿足條件：

式中：ic(t)為蓄電池所允許的最大電流；U為蓄電池的端電壓。

根據功率可以求出設定的電流所提供的轉矩，將總的制動轉矩減去電機制動轉矩則為所需要的機械轉矩。

制動過程中，由于工況已知，因此制動過程中車輛制動所需的總制動轉矩T可以確定，再根據求得的電制動轉矩Te，可以得到電制動轉矩所占的比例，即β值：

3 車輛參數匹配及計算

無接觸網供電車輛具體參數如表1 所示，其電機參數如表2 所示。

表1 車輛參數

表2 電機參數

車輛行駛過程中在不同的運行工況下所受的力不同。

式中：a為加速度；ω0為單位基本阻力；fe為電制動力；β為坡度；fmec為機械制動力；Gd為包含回轉質量的有軌電車總質量；ρ空氣密度；g為重力加速度。m為有軌電車整備質量；Aω、Bω、Cω為基本阻力系數，需根據列車型式試驗測定；v為有軌電車速度。

車輛儲能模塊蓄電池可選取120 A·h、480 V鈦酸鋰電池，其放電電量可達到5～6 C，充電電量可到2～3 C。蓄電池具體參數如表3 所示。

表3 蓄電池參數

為簡化計算，假設電車在平直軌道運行。根據制動過程工況計算車輛制動所需要的制動轉矩、電機制動轉矩，兩者相減為所需要提供的機械制動轉矩[11，12]。

4 仿真驗證

在Simulink 中搭建仿真模型，對上述優化方法結合車輛具體參數進行仿真驗證。

圖3 所示為蓄電池SOC以及充放電電流波形。由圖3（a）可知，在制動過程中由于蓄電池吸收制動能量，蓄電池的SOC在增高；由圖3（b）可知，在制動過程中蓄電池充電量按3 C 計算，對于120 A·h 的蓄電池充電電流維持在360 A 附近，說明在制動過程中對機械制動轉矩計算是較為準確的，機械制動承擔了部分制動功率，因此充電電流得到了較好的控制。

圖3 蓄電池SOC、電流波形

圖4 所示為車輛運行過程中需求功率分布，可知在牽引階段供電網和蓄電池的功率滿足了車輛運行的功率需求，在制動過程中，由于流入蓄電池的電流被限制在最大值附近，因此流入蓄電池的功率被限制在300 kW 左右，蓄電池只吸收了制動總機械能量的一部分，剩余部分被機械制動所吸收。

圖4 制動功率分配

圖5 所示為仿真得到的車輛制動總制動轉矩、電機制動轉矩、機械制動轉矩。

圖5 制動轉矩

可以看出，機械制動轉矩與電機制動轉矩滿足了車輛制動轉矩的要求，說明本文所述方法較好地實現了電制動與機械制動制動轉矩的分配，滿足了車輛制動性能的要求。

5 結論

本文提出一種制動能量回收優化方法，通過對無接觸網供電車輛制動過程中總制動轉矩、電機制動轉矩的計算以及蓄電池所能吸收最大制動功率的計算，得出制動時機械制動制動轉矩，保證在制動過程中的最大電制動效果，并在Simulink 中搭建了仿真平臺進行驗證，得出以下結論：

（1）在無接觸網供電車輛制動能量回收中，儲能元件的性能對能量回收率的提高有非常大的影響。

（2）雙向DC/DC、DC/AC 裝置的過電流能力以及電機的性能都影響制動能量回收率。

（3）根據制動時制動功率以及制動轉矩的計算實現了制動過程中電制動與機械制動的合理分配，保證了在制動過程中實現能量回收的最大化。

本文所述方法對進一步研究無接觸網供電車輛制動能量回收具有一定的參考價值。