全线无接触网储能式有轨电车混合动力及其自动控制策略应用研究

杨旭

摘 要 利用电容和电池混合储能的高能量密度和高强度电流能力的优势，结合线路特征，通过能量仿真计算，研究混合供电自动控制技术，实现混合动力技术对全线无接触网有轨电车的续航能力、运行时效性和经济性的提升，通过混合动力技术的研究及验证，以推广系统在有轨电车领域的广泛应用。

关键词 混合动力 超级电容 电池 储能式无接触网有轨电车 自动控制

中图分类号：U268.4 文献标识码：A

0引言

现代有轨电车系统是城市轨道交通的新方式，具有安全高效、节能环保、科技时尚、投资少、见效快等特点。与公共汽车相比，它运量大、速度快、污染小、安全、舒适、使用寿命长；与地铁相比，其建设速度快、工程投资少、运营费用低、维修更方便。

储能式现代有轨电车采用车载储能电源，牵引时储能电源作为牵引动力电源放电；制动时采用全再生制动，动能转化为电能储存在储能电源中，提高了能源利用效率。其利用车辆停站上下客的時间（约30秒）给车载储能电源充电；走行轨不再作为回流通路，对沿线设施无电腐蚀。其能实现车辆无接触网运行，电网电能损耗低；全线路无需配置接触网，线路建设投入和维护成本低，消除了城市上空的接触网视觉污染，代表了未来现代有轨电车的技术发展趋势。

车载储能电源采用超级电容和电池作为储能元件，利用超级电容放电倍率大储能能量较少，电池高放电倍率较小但储能能量大的特点，研究超级电容与电池的混合供电技术，实现储能式有轨电车动力性能和储能增程的要求。可适应用户线路交通拥堵情况时的车辆用能要求及用户线路越站不充电要求，提升了运行时效性和经济性。通过混合动力技术研究，以推广该种储能技术在有轨电车领域的广泛应用。

1车辆参数及性能要求

1.1车辆基本概况

1.1.1供电型式

区间无接触网，通过车载储能电源提供能量及回收再生能量；

车站设置接触轨，通过受电器受电，并给车载储能电源快速充电。

储能电源供电电压：额定DC750V（变化范围DC500V～DC900V）

1.1.2列车编组型式

车辆由五模块组成，包含2台动力转向架和1台非动力转向架。编组形式：=Mc1+F1+T+F2+Mc2= ，车辆编组如图1所示。

（=： 连挂车钩，+： 铰接、贯通道及车间减振器）

车型： Mc1、Mc2：带司机室的动力模块；T： 非动力模块；F1、F2：车辆悬浮模块；

1.2车辆基本技术参数

（1）列车总重：50.33t/68.57t/73.31t（AW0/ AW2/ AW3）

（2）轮径：650/620/590mm（新/半磨耗/全磨耗）

（3）齿轮传动比：6.542

（4）列车动力性能要求：

车辆最高运营速度 70km/h

在平直道，车轮半磨耗，AW2载荷，额定电压条件下：

启动加速度（0～40 km/h）≥1.0m/s2

平均加速度（0～70km/h） ≥0.7m/s2

常用制动平均减速度（70 km/h～0包括响应时间） ≥1.1 m/s2

列车牵引和电制动特性曲线如图2：

1.3车辆线路使用条件

以某车辆用户线路情况为例，线路总长约8.3km，共15个站。用户全线路仅设置6个充电桩，车辆在其他站点车辆无需充电，且区间需考虑至少两个十字路口等待时间。用户的主要线路情况如表1：

2混合动力系统

2.1混合控制策略及系统介绍

车辆采用2台超级电容箱和1台动力蓄电池混合供电，超级电容和蓄电池并联给车辆高压母线供电，蓄电池前端设置双向DC/DC，用于蓄电池的充放电控制。混合供电主要策略为：

（1）超级电容作为车辆牵引主要动力，当超级电容电压低于一定门槛值时，蓄电池开始投入补充能量。蓄电池开始投入的门槛电压值根据线路仿真结果确定。

（2）制动时车辆再能制动能量优先反馈至超级电容，超级电容高于一定门槛值时，蓄电池开始吸收多余的再生能量。

（3）车辆十字路口停车等待或停站不充电时，由蓄电池给车辆供电。

混合供电控制策略由蓄电池前端的双向DC/DC控制实现。

车辆高压主电路如图3所示。

2.2混合动力系统基本技术参数

2.2.1超级电容组

额定容量：75F

工作电压：DC500V-900V

额定电量（单台）：5.716Kwh

循环寿命：≥1，000，000（25℃，2.7V～1.35V，300A）

2.2.2动力蓄电池

额定容量：59.5Ah

工作电压：448V～604.8V

额定电量总能量：30.6544kWh

持续充放电电流：360A（6C）

使用循环寿命：>10000次

2.2.3双向DC/DC变换器

3能量仿真计算

3.1仿真主要条件说明

（1）仿真计算考虑超级电容组全寿命周期内20%的容量衰减，正常运行时储能电源最低放电电压为DC 500V。2组超级电容组可用能量约为9.146Kwh。

（2）动力电池按储存电量为30.65 kwh，可用电量24.52 kwh，持续放电能力6C，360A。持续输出功率约为180KW。

（3）整列车辅助功率约50KW。

（4）考虑线路站间距较短，建议按限速50km/h。

3.2仿真结果

由上图可以看出，车辆按2组储能电源+1台钛酸锂蓄电池混合供电方案，车辆限速50km/h，满足用户线路设置6个地面充电桩的要求。蓄电池投入时超级电容电压值建议为DC600V，蓄电池消耗能量约为9.579kwh，蓄电池剩余能量可以用于交通拥堵停车时间和红绿灯等待时间，具有较大余量。

4结束语

通过对混合动力系统的研究及用户线路的仿真计算，实现了混合动力系统储能增程的初步验证。该混合动力系统结合超级电容功率密度大和蓄电池能量密度大的特点，完全满足全线路无接触网有轨电车的动力性能和能量需求，并提升了用户线路成本、运行时效性。通过混合动力系统与低地板有轨电车的完美集成，符合有轨电车这一新型交通工具的“绿色环保”、“环境友好”等特点，通过混合动力技术研究，以推广该种储能技术在有轨电车领域的广泛应用。

参考文献

[1] CJ/T 417-2012，低地板有轨电车车辆通用技术条件[S].