有轨电车车载储能系统研究*

□ 张 骄 □ 李宇杰 □ 王 璐 □ 马 亮 □ 李 彬

1.北京市地铁运营有限公司 北京 100044 2.北京交通大学长三角研究院 江苏镇江 212009

1 车载储能系统现状

当前及未来一段时间内,交通领域的储能方式主要有电池储能、超级电容储能和飞轮储能。就车载储能而言,飞轮储能技术目前还不够成熟,安全性及回转力的问题严重制约了飞轮储能技术在车辆上的应用[1-3]。电池储能存在不能回收再生制动能量的不足,需要在车辆上安装专门的储氢罐，并且要在车辆段建设充氢站。由此,现有的有轨电车车载储能方式常采用电池储能和超级电容储能。

电池储能在电动汽车领域中的应用较早。丰田普锐斯混合动力汽车一直采用镍氢电池作为储能元件，但是镍氢电池具有记忆效应,即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减,而过度充电或放电,则可能加剧电池的容量损耗。由于锂电池的此项特性几乎可以忽略不计,因此第四代普锐斯高配版混合动力汽车改用锂电池作为储能元件。相对于镍氢电池储能,采用锂电池储能，能量密度和功率密度都较高，优越性明显。特斯拉 Model S选择能量密度较高的钴酸锂电池作为储能元件,比亚迪则多采用安全性能更好的磷酸铁锂电池储能。钛酸锂电池虽然能量密度相对较低,但是由于充放电倍率对称,且循环寿命长,可以回收更多再生制动能量,因此多用于运行工况较为固定的城市交通领域,如重庆公交系统在电动大巴上就采用钛酸锂电池作为储能元件。

有轨电车的车载储能各不相同。在国内线路中,南京河西线全线无接触网,采用钴酸锂电池储能,进站充电,电池荷电状态波动较小。江苏淮安线和广东广州海珠线同样为全线无接触网,采用超级电容为有轨电车提供能量,进站充电。辽宁沈阳浑南有轨电车在路面架设接触网,在长度为800 m的无接触网区采用超级电容供电技术。国外线路中,法国尼斯有轨电车采用架空接触网供电,在市中心广场短距离无接触网区采用车载蓄电池供电。日本川崎重工双动力Swimo型有轨电车通过接触网和镍氢电池供电,在无接触网区可独立驱动行驶10 km[3]。

2 车载储能系统容量配置

有轨电车容量配置的本质是使车载混合储能系统满足负载功率需求，以及车辆轴重、空间的制约。通过改变储能元件的输入,经容量配置算法,可以验证是否满足负载功率需求。车载混合储能系统进行容量配置,需要预先确定系统的拓扑结构、负载功率与能量管理策略。

目前，针对有轨电车车载混合储能系统容量配置的问题,国内外学者将质量、体积及运行成本都作为重点考虑的因素[4-5]。由于电池与电容在能量密度、功率密度等参数方面有很大不同,造成车载混合储能系统的质量、体积、初期投入、运行损耗等相互制约，若是只对其中的某一参数进行优化,则不能满足实际使用的需求[6]。

以基于电池功率阈值的能量管理策略为例,假设超级电容直接与母线相接,设定电池充放电功率阈值,负载功率在阈值内由电池提供电能,两端超出的尖峰部分由超级电容提供电能。此时,配置的电池功率应大于电池充放电功率阈值,电池能量Ebat应满足列车运行到下次电池充电时,即：

(1)

式中：pbat_ch、pbat_dis分别为电池充电功率阈值和电池放电功率阈值；k为时间常数。

超级电容放电功率psc_dis为：

(2)

式中:ptram为负载功率,ηDC为电池两端直流-直流变换器的效率。

充电功率psc_ch为：

(3)

此时,配置的超级电容额定功率应大于超级电容充电功率的最大值。超级电容额定容量Esc应满足：

(4)

可见,车载混合储能系统的容量优化配置问题是一个多目标优化问题,多目标优化问题的求解分为多目标加权优化与多目标帕累托集求解。对于车载混合储能系统的容量配置过程而言,不能简单设定某一个优化目标比其它目标更重要。

3 拓扑结构

有轨电车车载储能系统的拓扑结构是研究能量管理的前提,对于有轨电车车载储能系统而言,拓扑结构将直接影响储能装置的控制方式。按照直流-直流变换器的数量,可分为直接并联拓扑、电池和超级电容各带直流-直流变换器并联拓扑、电池通过直流-直流变换器并联拓扑、超级电容通过直流-直流变换器并联拓扑四种[7]。四种拓扑结构如图1所示。

直接并联拓扑结构简单，成本低，系统效率高，响应速度快，但储能系统的容量不能被完全利用。电流在两种储能元件之间自动分配,分流的大小取决于各自的内阻,因此每种储能元件的功率无法控制。此外,

▲图1 有轨电车车载储能系统拓扑结构

超级电容的电压与电池电压相同,也都不受控,其变化取决于电池荷电状态,这就限制了超级电容的最优化,也限制了超级电容单元的选择。为达到相同的电压,需要串联更多的超级电容单元。这一拓扑结构适用于直流母线电压变化范围不大、电池没有严格充放电要求的场合。

对于电池和超级电容各带直流-直流变换器的并联拓扑结构，直流-直流变换器具有变流、调压的功能,可以用于连接端电压不同的两种储能元件，并进行控制，同时可以维持直流母线电压恒定,延长储能元件的使用寿命。因为电池和超级电容均可以深度放电，所以储能可以充分被利用。与直接并联相比,使用直流-直流变换器并联的拓扑结构，会使储能元件产生功率损耗，使系统成本增加，效率降低。因此,采用这一拓扑结构需考虑技术优势和系统经济成本增加之间的矛盾关系[8]。

采用电池通过直流-直流变换器并联的拓扑结构，电池功率可控,电池的充放电电流平缓,并可延长电池的寿命周期。超级电容需要许多单元串联，以获得较高的母线电压。在脉冲负荷电流区间,超级电容的端电压会下降。如果相连的逆变器需要一个稳定或正常工作的最小电压以生成正确的交流侧电压,那么超级电容端电压下降太多会使储能系统不稳定,因此必须将直流电压控制在合适的范围内。

超级电容通过直流-直流变换器并联的拓扑结构中，超级电容存储的能量能够充分被利用,但缺点是电池功率不可控,造成充放电电流不稳定。直流母线电压的大小取决于电池的荷电状态变化,而电池荷电状态的变化不能直接控制,只能维持在一个给定的范围内,因此储能系统的运行受到限制。

有轨电车车载储能系统拓扑结构的选择取决于不同因素,如拓扑结构的技术优势、经济成本等,在不同的应用背景下，必须进行全面分析，以得到最佳方案。

4 能量管理策略

有轨电车在经济性改进和运行优化等方面强烈依赖于能量管理策略。无论车辆的拓扑结构如何,控制策略的主要目标都是通过管理来自不同能量存储元件的功率流来满足列车行驶的功率需求,以优化特定的目标，同时满足其它约束条件,如储能元件荷电状态、寿命等。近年来,专家学者们从各个角度深入研究能量管理策略的优化控制算法,按实时性原则，将能量管理策略分为在线策略与离线策略两种[9]。

常用的在线能量管理策略有基于规则的固定阈值管理策略、滤波功率分配策略、基于模糊控制规则的能量管理策略等，这些策略的共同特点是规则简单、易于实现，但动态性较差，不能根据需求随时调整。离线能量管理策略有基于动态规划的能量管理策略,虽然能够得到全局最优解,但依赖于工况循环状态，且计算量大，计算时间长，不能实现实时在线控制。可见，需要进行算法的改进，并与其它技术相结合,以缩短计算时间，实现对未来工况信息的预测。滤波功率分配策略能够充分利用不同储能元件的特性,操作简单,但鲁棒性和自适应能力较差。基于规则的固定阈值管理策略和基于模糊控制规则的能量管理策略在某些特定驱动周期内具有明显优势,比较灵活,易于调节，前者对于动态性能较难满足,针对性较强；后者适用范围较广,可变程度更大,但研究还有待继续深入,有很大的发展空间。

综上所述,能量管理策略要充分发挥各种控制方法的优势,使各种控制方法之间互相协同与融合,实现组合策略控制,以获取系统最优的综合性能。要综合考虑有轨电车车载储能系统的构型及容量配置,进行协同优化，以改善整车的能量效率,寻求更为适用于特定设计需求的能量管理策略。

5 应用情况

对于在市区中进行工作的有轨电车而言,接触网的架空设计会影响城市美观[10]。同时,由于现代有轨电车启停频繁、站间运行距离相比地铁、轻轨更短,因此制动能量相当可观。研究表明，大约 40%的牵引能量可以在再生制动阶段回收。采用接触网供电的有轨电车,其制动能量不能被直流供电网的其它装置完全吸收,剩余能量会导致直流网电压抬升。当直流网电压超过允许范围时,空气制动会伴随产生热量、粉尘、噪声污染，并造成机械磨损，这对于有轨电车的发展极为不利。对于上述问题,利用储能技术在供电网或者列车上安装储能装置,可以得到有效解决。目前，有轨电车车载储能系统的应用情况见表1。

表1 有轨电车车载储能系统应用情况

6 结束语

对于有轨电车而言,车载储能系统是整车的动力来源,其性能在很大程度上会影响整车的动力特性。车载储能系统不仅需要存储足够能量，而且需要承受瞬时大功率。就目前而言，还缺少满足以上特点的储能元件。以现有的储能技术条件,需要将具有高能量密度、高功率密度的储能元件相结合,组成混合动力储能系统来向车辆提供能量,才能满足有轨电车运行过程中对功率和能量的需求。