无接触网供电城轨车辆制动力分配策略研究

杨伦双

0 引言

现代交通中有轨电车是一种开放式的轨道交通系统，其一般行驶在城市道路上，是一种平交制式的交通系统[1]。目前有轨电车的供电接触网给城市景观造成视觉影响，为了解决这一问题，一种现代有轨电车新型供电技术—无接触网供电技术在现代有轨电车中逐渐应用。无接触网供电技术是一种新型的为列车供电的技术，该技术消除了传统架空接触网及支柱对城市景观的破坏，而且更加安全。无接触网供电车辆主要有地面供电和车载储能两种技术类型，目前在一些项目中已经成功投入商业运营。

无接触网供电车辆采用电机作为动力部件，在车辆制动过程中可以利用电机制动发电特性来回收制动能量。大约有30%～60%的能量被消耗在制动过程中[2～4]，提高车辆制动能量回收率对于降低电车能耗，增加无接触网供电车辆续航里程具有重要意义[5，6]。目前，对车辆制动能量回收的研究主要集中在汽车领域，并且已取得了大量的研究成果，但在有轨电车方面国内研究基本还处于发展阶段，现有电车应用的制动方法也多为比较简单的策略。目前关于机械制动和电回馈制动转矩的分配问题也均为凭借经验进行的定性分析，缺乏详细的理论分析和验证过程，各种制动模式差别也只是给出仿真结果，并没有实际验证。

本文提出一种运用于无接触网供电车辆的制动能量回收优化方法，通过对制动过程中无接触网供电车辆总制动转矩、电机制动转矩的计算并结合蓄电池所能吸收最大制动功率，得出机械制动制动转矩，保证在制动过程中的最大电制动效果。

1 系统拓扑及其最大充电电流的确定

1.1 系统拓扑

图1 所示为无接触网供电车辆动力部分拓扑结构，车辆供电采用耦合线圈与储能模块共同供电的方式，耦合线圈通过非接触方式将交流电能传送到车辆，车辆上整流模块将交流电转换为直流电，在车辆启动加速时整流模块得到的直流电经单向DC/DC，储能模块直流电能经双向DC/DC、DC/AC输送给电机。制动过程中，电机产生的制动能量经双向DC/AC、DC/DC 输送给储能模块[7，8]。

图1 车辆动力系统拓扑

1.2 最大充电电流确定

为使制动过程中的制动时间t0内蓄电池吸收最大的电能，需要计算合适的充电电流。充电电流ic(t)越大，储能模块存储的电荷量越多，电能储存的也就越多，相应计算见式（1）—式（4）。

吸收的电荷量q：

式中：ΔQ为电荷变化量；Δt为充电时间；Q为充电电量；U为充电电压；C为电容容量。

根据式（1）—式（4）推导可得，当充电电流最大时储能模块存储的能量将最大。因此，确定流进储能模块的最大充电电流对制动能量回收率的提高有着至关重要的作用。

最大充电电流受到电路各部分参数的限制，下文将根据电流路径分别讨论异步电机允许最大电流、电力电子变换器件允许最大电流、储能元件允许最大充电电流。

1.3 储能元件允许最大充电电流icmax

不同储能元件所能允许的最大充电电流不同，蓄电池中钛酸锂和三元锂电池所允许的最大充电电流不同，选取不同的储能元件应确定合适的最大充电电流。对于三元锂电池，若储能元件为超级电容，由于超级电容具有较大的充放电能力，因此对充电电流限制的主要器件为双向DC/DC。

1.4 DC/DC、DC/AC 允许的最大电流ibmax

电力电子变换电路允许的最大电流取决于器件具体的结构，最大电流有效值不能超过其电流额定值iN、功率二极管正向平均电流iF、正向浪涌电流iFSM、晶闸管通态平均电流iT及通态浪涌电流iTSM。

若储能选用超级电容，则对超级电容充电电流的限制主要为双向DC/DC 允许的最大电流[9，10]。

1.5 异步电机允许的最大电流idmax

电机允许的最大电流取决于定子最大电流idmax，定子最大电流可以设定为电机运行的额定电流，异步电机作为发电机运行时，保证电流有效值在额定电流以下可以保证电机的安全运行。

2 能量回馈优化方法

由异步电机定子侧的电源频率可以求得异步电机同步转速n0：

式中：f0为定子绕组三相电源频率；p为极对数。

当异步电机的实际转速小于同步转速时，电机正常运行，电机将电能转化为机械能；当异步电机的实际转速大于同步转速时，电机处于制动状态，电机将机械能转化为电能。异步电机等效电路如图2 所示。

图2 异步电机等效电路

电机作为电动机工作时，满足如下功率关系：

式中：Pmec为机械功率；P为超级电容充电功率；PCu及PFe分别为电机铜耗和铁耗。

根据功率、转速、转矩之间的关系可以得到电制动转矩Te：

式中：n为转子实际转速；Ω为转子角速度。

为化简计算，忽略电机损耗以及双向DC/DC的损耗，式（8）可化简为

ic(t)满足条件：

式中：ic(t)为蓄电池所允许的最大电流；U为蓄电池的端电压。

根据功率可以求出设定的电流所提供的转矩，将总的制动转矩减去电机制动转矩则为所需要的机械转矩。

制动过程中，由于工况已知，因此制动过程中车辆制动所需的总制动转矩T可以确定，再根据求得的电制动转矩Te，可以得到电制动转矩所占的比例，即β值：

3 车辆参数匹配及计算

无接触网供电车辆具体参数如表1 所示，其电机参数如表2 所示。

表1 车辆参数

表2 电机参数

车辆行驶过程中在不同的运行工况下所受的力不同。

式中：a为加速度；ω0为单位基本阻力；fe为电制动力；β为坡度；fmec为机械制动力；Gd为包含回转质量的有轨电车总质量；ρ空气密度；g为重力加速度。m为有轨电车整备质量；Aω、Bω、Cω为基本阻力系数，需根据列车型式试验测定；v为有轨电车速度。

车辆储能模块蓄电池可选取120 A·h、480 V钛酸锂电池，其放电电量可达到5～6 C，充电电量可到2～3 C。蓄电池具体参数如表3 所示。

表3 蓄电池参数

为简化计算，假设电车在平直轨道运行。根据制动过程工况计算车辆制动所需要的制动转矩、电机制动转矩，两者相减为所需要提供的机械制动转矩[11，12]。

4 仿真验证

在Simulink 中搭建仿真模型，对上述优化方法结合车辆具体参数进行仿真验证。

图3 所示为蓄电池SOC以及充放电电流波形。由图3（a）可知，在制动过程中由于蓄电池吸收制动能量，蓄电池的SOC在增高；由图3（b）可知，在制动过程中蓄电池充电量按3 C 计算，对于120 A·h 的蓄电池充电电流维持在360 A 附近，说明在制动过程中对机械制动转矩计算是较为准确的，机械制动承担了部分制动功率，因此充电电流得到了较好的控制。

图3 蓄电池SOC、电流波形

图4 所示为车辆运行过程中需求功率分布，可知在牵引阶段供电网和蓄电池的功率满足了车辆运行的功率需求，在制动过程中，由于流入蓄电池的电流被限制在最大值附近，因此流入蓄电池的功率被限制在300 kW 左右，蓄电池只吸收了制动总机械能量的一部分，剩余部分被机械制动所吸收。

图4 制动功率分配

图5 所示为仿真得到的车辆制动总制动转矩、电机制动转矩、机械制动转矩。

图5 制动转矩

可以看出，机械制动转矩与电机制动转矩满足了车辆制动转矩的要求，说明本文所述方法较好地实现了电制动与机械制动制动转矩的分配，满足了车辆制动性能的要求。

5 结论

本文提出一种制动能量回收优化方法，通过对无接触网供电车辆制动过程中总制动转矩、电机制动转矩的计算以及蓄电池所能吸收最大制动功率的计算，得出制动时机械制动制动转矩，保证在制动过程中的最大电制动效果，并在Simulink 中搭建了仿真平台进行验证，得出以下结论：

（1）在无接触网供电车辆制动能量回收中，储能元件的性能对能量回收率的提高有非常大的影响。

（2）双向DC/DC、DC/AC 装置的过电流能力以及电机的性能都影响制动能量回收率。

（3）根据制动时制动功率以及制动转矩的计算实现了制动过程中电制动与机械制动的合理分配，保证了在制动过程中实现能量回收的最大化。

本文所述方法对进一步研究无接触网供电车辆制动能量回收具有一定的参考价值。