有轨电车混合供电及运行切换方法研究

张伟建，崔 杰，陈 波，周 洋，丁 俊

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

低地板有轨电车通常运行于地面交通线路，在运行过程中不可避免地会经过若干十字路口或者名胜古迹，在这些路口或者古迹处，不便于在空中架设接触网，因此在有轨电车的运营线路中就出现了若干无网区，这就造成有轨电车在此类线路运营过程中要频繁在有网区和无网区间穿梭运行[1-3]。如何使有轨电车在不停车的前提下，在有网区和无网区频繁切换的线路上可以平稳运行，保证乘客的乘车舒适度以及整个运营组织的运行效率，就成了一个亟待解决的关键问题。

以往的研究多针对的对象为全线路均为无网区，试图为有轨电车在这种长距离无网区寻求一种适合的车载动力电源系统方案，所选择的车载电源多为功率密度型的超级电容，通过该超级电容为列车在全线路无网区提供整车的牵引动力需求、辅助用电需求[4-6]。区别于上述早期研究，本文所讨论的有轨电车全线路由多个有网区和无网区交叉组成，为解决有轨电车在此类型线路条件下的供电及运行需求，从有网区和无网区的混合供电模式出发，探索适用于无网区运行时的合理车载动力电源方案，保证列车在无网区运行时，车载动力电源可以满足车辆高压用电设备、中压交流用电设备、低压用电负载的全部用电需求。并结合有轨电车车辆自身电气原理特点，寻求一种适用于低地板有轨电车在有网区和无网区之间频繁切换运行的混合供电系统及运行方法[7-10]。

1 车载动力电源选型及容量计算

1.1 车载动力电源选型

近年来，汽车行业锂电池起火事故频发，主要归根于汽车用动力电池采用磷酸铁锂和三元锂电池，由于电池自身内短路或外部因素（碰撞、短路）引发锂电池热失控。而钛酸锂电池是一种以锂金属或锂合金为正极材料，以非水性电解质溶液为电解液的电池。充电过程为锂离子Li+从正极化合物中脱出嵌入负极晶格；放电过程为锂离子Li+从负极晶格中脱出嵌入正极化合物。锂电池按照正极材料可以分为三元锂、磷酸铁锂等，负极材料分为石墨和钛酸锂等，根据封装工艺，锂电池也可以分为方壳、圆柱、软包等。

钛酸锂电池具备以下优点。

（1）钛酸锂电池具有能量密度高、低温性能好、自放电率低、循环寿命长等优点。

（2）配备的电池管理系统安全可靠，钛酸锂电池系统不仅具有保护和检测器件，还具有在故障状态下切断部分蓄电池组的功能，电池管理系统实时监控蓄电池电压、温度及电流，能够及时发现异常，通过通讯系统上报。

（3）充放电智能化管理。充电时通过通讯实时与充电机发送数据，并根据不同的电压进行充电电流控制。用于蓄电池牵引时，与整车实时通讯，发送最大允许的放电电流，防止蓄电池过放。

（4）通讯种类多。电池管理系统可支持MVB和以太网通讯，还可以通过扩展模块扩展通讯种类。

（5）免维护。传统酸性、碱性电池作为轨道交通车辆蓄电池，在使用过程中需要定期称重加电解液来维持电池容量。而钛酸锂电池不需要添加电解液。

（6）低温性能好。钛酸锂电池具有充放电过程中骨架结构几乎不发生变化的“零应变”特性，理论上有无限长的循环寿命，嵌锂电位高（1.55V vs.Li/Li+），而不易引起金属锂析出，库仑效率高、锂离子扩散系数比碳负极高一个数量级，在低温环境下，具有更高的放电倍率。

1.2 容量计算

结合近年来各地区实际的无网区线路条件，本文选取一列5辆编组形式有轨电车为参考对象，并定义对于无网区的运行工况需求如下。

（1）工况1：运营线路上无电区最长为1 km（中间有一100 m的20‰坡道），两相邻无电区之间距离不小于3 km，在无电区内要求列车能够启停2次。

（2）工况2：接触网供电故障工况下，列车可以应急牵引1个站区间（按照某地区线路条件中最苛刻的一个站区间并延长至1.5 km，进行整车能耗计算）。

另外，在上述各种工况下，为保证乘车舒适度，须确保列车辅助负载（AC380V+DC24V）和客室空调均能满功率运行。

上述两种工况下，牵引系统的相关能耗仿真曲线如图1所示。

图1 不同无网区工况下的相关能耗仿真曲线

能耗计算如下：整车配置两套动力锂电池箱，无电区时单套箱体应提供短时持续用电功率100 kW，峰值用电功率140 kW。根据蓄电电池短时持续大放电能力6C计算，则有：

单套动力锂电池箱需配置容量为16.6 kW·h的锂电池。

母线电压：500～900 V。

考虑DC/DC充放电：300～450 V（＜500 V）。

需求并数计算：16.6 kW·h÷400 V=41.5 A·h＞25 A·h，由于整车短时用电功率200 kW，对于动力锂电池放电电流放电倍率要求较高，因此选用容量25 A·h的单体模块。41.5 A·h÷25 A·h（单体）≈2 p，选择25 A·h单体电芯，2并，总容量50 A·h。

需求串数计算：16.6 kW·h÷50 A·h=332 V；332 V÷2.34 V（单体）=141.8 s。

模组统一化：4×36 s（每个模组串数）=144 s。

总串并数：2 p144 s。

模组数量与配置：4（个）×2 p36 s。

根据串并联需求计算，单套箱体配备电量16.8 kW·h，整车配置两套。按照这样的配置即可满足整车在无网区工况内的全部用电需求，包括车辆牵引动车、空调等交流负载用电、DC24V低压负载用电等。

2 混合供电模式下的运行切换控制

图2所示为牵引系统与钛酸锂电池储能系统之间的主电路拓扑图，列车在有网区段和无网区段等不同工况下的运行机制如下。

图2 牵引系统与储能系统主电路原理

（1）工况1：有网区段

当列车运行在有网区段时，来自牵引变电站的电源，经由线路接触网、列车受电弓后接入有轨电车，电网电压正常情况下在500～900 V之间变化时，主电路能正常工作，并方便地实现牵引-制动的无接点转换，满足列车的牵引及制动特性的要求。牵引工况下，牵引系统从电网获取能量，经牵引逆变器输入端预充电电路对支撑电容进行充电，充电完成后，通过三相逆变模块逆变成三相电机电流为牵引电机进行供电，进而驱动列车运行；制动工况下，牵引电机为发电机模式，电制动过程中产生的再生能量优先通过双向DC/DC模块降压斩波向钛酸锂电池充电，电池充满电后，再通过能馈控制单元将再生能量回馈电网，最终吸收不了的能量将通过有轨电车上配置的制动电阻以热能的形式释放掉。

（2）工况2：有网区段进无网区段

车辆由有接触网区进入无网区前，首先由车辆发出“进无网区”的控制信号，牵引系统控制单元DCU接收到进无网区指令后，控制DC/DC模块将支撑电容两端的电压升压至DC890V，然后断开短接接触器KM1，转入无网运行模式。与此同时，DC/DC模块切换至升压斩波模式，将钛酸锂电池的电源进行转换，维持中间电压为750 V。有轨电车的DC750V高压用电设备、AC380V中压交流负载、DC24V低压直流负载，全部间接通过车载钛酸锂电池进行供电。

（3）工况3：无网区段

当列车运行在无网区段时，牵引工况下，双向DC/DC模块通过升压斩波可将钛酸锂电池箱储存的能量反向输出给牵引系统、辅助变流器和直流空调使用，满足车辆的用电需求；制动工况下，优先通过双向DC/DC模块降压斩波向动力锂电池充电，或向辅助系统、空调进行供电；当中间电压继续升高时，开通制动电阻以热能的形式将剩余的能量释放掉[11-13]。

（4）工况4：无网区段进有网区段

车辆由无网区段进有网区段前，首先由车辆发出“出无网区”控制信号，牵引控制单元DCU接收到该指令后，DC/DC模块将支撑电容处两端升压至DC890V。列车受电弓首先搭入线路过渡接触搭网，后正式接入接触网，牵引系统控制单元DCU通过检测网侧电压大于DC650V，闭合预充电接触器，其后闭合短接接触器，断开预充电接触器，DC/DC模块停止升压转入有网运行模式。之后将DC/DC模块切换至降压斩波模式，给钛酸锂电池进行充电。

（5）工况5：应急牵引

当接触网供电故障，或者由于受电弓故障不能对车辆进行受流供电时，可通过动力锂电池对列车进行相应的应急牵引。由于动力锂电池的功率和电量是按照列车在无网区运行时的功耗情况进行设计的，经过计算，应急牵引时，车上辅助系统、空调系统等用电设备完全可以正常工作。

3 结束语

接触网加钛酸锂电池混合供电模式，列车运行过程中主要使用接触网供电，在没有接触网的路段使用电池运行。使用接触网供电的有轨电车是应用很成熟的方案，但是考虑到部分路段无法架设接触网，使用钛酸锂电池作为短时工作电源及备用电源是最为经济、合理的方案，同时提高了系统的冗余性[14-15]。

（1）钛酸锂电池具有高能量、较高功率的特点，可以实现短距离的牵引运行，在无网区降牵引功率的前提下，可以满足车辆牵引、辅助、空调等的用电需求，保证了乘车舒适度。

（2）在有接触网区段，利用牵引系统DC/DC模块对电池充电；在没有接触网的路段，电池通过DC/DC模块向牵引、辅助、空调等供电。

（3）先进的无缝切换技术，通过牵引箱中DC/DC模块的自动模式切换，实现有网区和无网区的切换过程中，车上用电设备被持续供电，不中断，简化司机操作、提高乘坐舒适性。

（4）本文的钛酸锂电池方案同样可以满足列车对于应急牵引的需求。

本文的关键点在于钛酸锂电池系统的配置方案设计，以及列车在有网区和无网区频繁切换运行时的不同供电模式的控制方案设计。基于上述两点，既保证了列车运行在无网区时对于储能系统供电功率和电量的需求，又保证了列车可以在有网区和无网区平稳的切换运行。基于上述方法的有轨电车目前已完成车辆试制工作，后续会在试验阶段对该方法的有效性进行验证。