城市轨道交通新型车载储能系统的研制*

成建国张 一文小龙

（1.深圳市地铁集团有限公司，518000，深圳；2.深圳市华力特电气股份有限公司，518000，深圳∥第一作者，硕士研究生）

城市轨道交通新型车载储能系统的研制*

成建国1张 一1文小龙2

（1.深圳市地铁集团有限公司，518000，深圳；2.深圳市华力特电气股份有限公司，518000，深圳∥第一作者，硕士研究生）

在分析传统地面集中式储能系统的基础上，利用超级电容可储存大电量、快速充放电等特点，研制替代列车制动电阻的新型车载储能装置。该装置包括一次系统和二次系统。一次系统主要由断路器、IGBT（绝缘栅双极晶体管）及电容器组等组成。二次系统主要为控制器，对升降压模块的IGBT进行控制以及计算等。该装置能有效减少轨道交通列车牵引能耗，减少列车制动热量散发，降低隧道温升，达到节能减排的效果，同时可降低列车实际运营成本。

城市轨道交通；列车制动电阻；车载储能系统

First-author's address Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，518000，Shenzhen，China

城市轨道交通列车一般采用电制动和空气制动（部分列车采用液压制动或磁轨制动替代空气制动）。其中，电制动又分为再生制动和电阻制动。城市轨道交通列车制动过程中，优先采用再生制动［1］，当再生制动能量不能被接触网或地面储能装置吸收时，启动电阻制动。

电阻制动主要是将电能转换成热能，并通过强迫风冷的方式消耗掉。城市轨道交通列车在正常运营时电制动相当频繁，电阻制动消耗的能量日积月累，是一个非常可观的数字。根据测算，上海轨道交通2号线北新泾站至咸宁路站，一般情况下每列车制动电阻每天消耗的能量总和为10.8 k Wh［2］。上海轨道交通2号线共有30个站，初步估算，制动电阻一年消耗的能量约为11.8×104k Wh，消耗电费为10.6万元（按工业用电0.9元/k Wh计算）。

本文阐述了一种新的能量储存及利用装置，其能吸收列车电阻制动中消耗的能量，可用来替代列车制动电阻。当列车实施电阻制动时，该装置吸收能量；当列车牵引时，其释放能量。

1　电阻制动能量吸收方案研究

传统的制动储能装置，是在牵引变电站设置集中式储能系统，直接利用接触网或接触轨作为媒介，通过判断接触网或接触轨直流电压进行充放电。其原理框图如图1所示。

图1　传统储能装置原理框图

传统储能装置的优点是判断依据简单，原理相对简单；缺点是不能完全吸收电制动过程的能量，同时需要制动电阻配合，增加了车辆负担。

本文阐述的新型储能装置可完全取代制动电阻，完全吸收电制动能量，该装置原理框图如图2所示。

图2　新型储能装置原理框图

新型车载储能装置从牵引单元原连接制动电阻处接入，通过直流降压模块，将电阻制动的能量吸收，然后通过直流升压模块，将储存的能量释放给接触网，供本车辆或邻近车辆牵引驱动使用。

根据测算，上海轨道交通2号线高峰时段通过北新泾站至咸宁路站时，制动电阻消耗的能量为0.124 kWh［2］。如果可通过超级电容储存列车制动时制动电阻消耗的能量，在列车牵引时将能量释放，日积月累，将会节约大量的能量，降低列车运营成本。

2　新型车载储能装置的原理及组成

根据广州地铁1号线列车能耗分析［3］，在行车高峰期及低峰期，单个制动电阻消耗的能量大部分介于0.1～1.0kWh之间。由于列车原有制动电阻质量约为380kg，综合超级电容质量及容量考虑，本装置选用1.0kWh作为超级电容最大可循环使用容量。这样，整个储能系统装置的质量约为400kg，与原有列车制动电阻质量相当，不会给列车运行增加额外的负担。

新型车载储能装置包括一次系统和二次系统。其中，一次系统主要包括断路器、IGBT（绝缘栅双极晶体管）及电容器组；二次系统主要为控制器，对升降压模块的IGBT进行控制以及算法计算等。其详细原理图如图3所示。

该装置由连接单元、转换单元、电容器组及控制器等组成。

连接单元包括：

·S1、F0：正常充电连接回路；

·K1、F1、R1：预充电连接回路；

·S2：放电回路断路器；

·D0、D3：二极管，防止反向输入；

·L2：平波电抗器。

转换单元包括：

·V1、V2、L1：直流升降压回路。

电容器组包括：

·Cbank：超级电容器组；

·V3、R2：超级电容组完全放电回路。

控制器：对一次系统的IGBT进行控制，并监测整个系统工作状态，提供温度、充放电电流以及状态指示等。

图3　新型车载储能装置原理图

连接单元与转换单元组成一路buck/boost电路，列车制动时，当接触网电压升高到DC1800V时，DC1800V通过直流降压电路转换成超级电容组电压；列车牵引时，当接触网电压低于DC 1600V时，电容组电压通过直流升压电路升至DC 1600V，供给接触网。

目前市场上常用的超级电容模块为48V，165F。设V1为超级电容充满后电压，V2为超级电容放电后电压。由于超级电容电能可以完全释放，V2理论上可以为0V，但基于充放电电流及超级电容使用寿命考虑，V2取值为600V，V1取值为1152V。则根据电容能量公式），需要24个超级电容模块，可循环充放电能量为1.05 kWh。

参考列车制动电阻电流，本装置充放电额定电流为200 A。

3　控制器的软硬件实现

控制器（CPU）采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335。TMS320F28335是一款高性能的数字信号控制器，最高频率为150 MHz，带浮点运算单元，能满足车载式储能系统运算控制需要。

控制器的硬件框图如图4所示。控制器包括充放电控制、电压检测、温度检测、风冷控制、信号指示及通信等。

图4　控制器硬件框图

控制器软件部分采用TI DSP/BIOS5.X实时操作系统。DSP/BIOS5.X为TI公司提供的免费实时操作系统。软件总体框架如图5所示。

图5　软件总体框架图

由于采样、模拟量计算、控制输出、HMI（人机界面）、通信、数据存储等子任务均为常规任务，故本文只对充放电控制任务进行详细介绍。充放电任务流程框图如图6所示。

图6　充放电控制子任务流程

4　装置样机

在深圳市地铁集团有限公司院士工作站的框架下，与西南交通大学签订了该项目的技术咨询合同，为该新型车载储能装置的研制提供强大的技术支持。根据该装置的软硬件原理，已研制出了控制器PCB（印刷线路板）、直流升降压系统等；经市场调研，已采购超级电容组。目前样机已组装好，待经过各种测试及试验验证合格后，将安装上地铁列车进行应用考核。样机控制器见图7。

图7　控制器

5　结语

本文阐述了一种新型的城市轨道交通列车制动能量储存装置。该装置可有效利用目前列车电阻制动消耗掉的能量，可完全替代列车制动电阻。使用该装置后，城市轨道交通列车可取消（替代）制动电阻（如在既有列车上进行改造，则无需改变既有列车的安装结构），能有效减少列车牵引能耗，减少列车制动热量散发，降低隧道温升，达到节能减排的效果，同时可降低列车实际运营成本。

［1］ 杨峰.地铁车辆制动系统浅析［J］.现代城市轨道交通，2009（4）：29.

［2］ 方宇，尧辉明，杨俭.上海城市轨道交通2号线车辆电阻制动能耗计算［J］.城市轨道交通研究，2010（8）：25.

［3］ 刘宝林.地铁列车能耗分析.［J］.电力机车与城轨车辆，2007（4）：65.

［4］ 曾先光，徐志荣，奚华峰.DC 1 500 V供电的城市轨道交通车辆超级电容储能技术分析［J］.城市轨道交通研究，2013（10）：87.

Development of New On-board Energy Storage System for Urban Rail Transit

Cheng Jianguo，Zhang Yi，Wen Xiaolong

Abstract Based on an analysis of the traditional centralized ground energy storage system，and the super capacitor featuring large amount of power storage，quick charge and discharge，a new on-board energy storage device is developed in place of train braking resistor.This device is composed of primary system and secondary system.The primary system mainly consists of CB，IGBT（insulated gate bipolar transistor）and capacitor bank，while the secondary system mainly includes controllers，which control IGBT of step up/down modules and calculate algorithms，etc.This device can effectively reduce the traction energy consumption of rail transit trains and metro braking heat dissipation，decrease temperature rise in culvert for the effect of energy conservation and emission reduction.As a result，the device can save the actual operating cost of trains with good practical value.

urban rail tranist；train braking resistor；onboard energy storage system

U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2015.07.022

2013-10-27）

*省部产学研结合项目（2012B090500022，由广东省人民政府、教育部、科技部、工业和信息化部、中国科学院、中国工程院在深圳市地铁集团有限公司成立的院士工作站支持）