孫樹鑫 劉 斌 劉曉亮 張 杰

（1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063000；2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035）

1 概述

在我國，帶有超級電容的混合動力系統(tǒng)應(yīng)用較少，目前還處在起步階段，近年來在公共交通特別是城市有軌電車中逐漸被應(yīng)用，但要使其高效、充分發(fā)揮效能，仍需要長期的實驗摸索和研究，首先我們要加深對混合動力系統(tǒng)了解，通過實驗有效控制其充放電參數(shù)，進(jìn)而改變其性能，最終達(dá)到雙向電源（即斬波器）與蓄電池及超級電容的最優(yōu)匹配。

2 混合動力系統(tǒng)組成及工作原理

現(xiàn)代城市有軌電車混合動力系統(tǒng)主要由雙向DC/DC變換器，超級電容和蓄電池組成。

混合動力系統(tǒng)為雙向DC/DC電源系統(tǒng)，當(dāng)車輛正常運(yùn)行時，雙向斬波器將DC750V網(wǎng)壓轉(zhuǎn)換成兩路DC480V分別給蓄電池、超級電容充電，當(dāng)通過無電區(qū)時，系統(tǒng)可以將超級電容、蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成DC750V的電壓回饋車輛牽引及輔助供電系統(tǒng)。由超級電容與蓄電池組成的混合動力系統(tǒng)，使蓄電池比能量大和超級電容器比功率大的特點相結(jié)合，無疑大大提高了電力儲能裝置的性能。超級電容與蓄電池并聯(lián)使用，可以增強(qiáng)混合電源的負(fù)載適應(yīng)能力，特別是對于大功率脈動負(fù)載，超級電容與蓄電池并聯(lián)混合使用，能夠降低蓄電池的內(nèi)部損耗、延長其放電時間、增加使用壽命，超級電容的存在還可以縮小電源的體積、改善可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2.1 DC/DC雙向變換器

DC/DC雙向變換器有兩種工作模式，即正向工作模式和反向工作模式，當(dāng)電能正向傳輸時，變換器將DC750V的網(wǎng)壓降到DC480V，為混合動力系統(tǒng)蓄電池及超級電容充電；當(dāng)能量反向傳輸時，變換器將混合動力系統(tǒng)DC480V的升到DC750V，將電能回饋給車輛牽引及輔助系統(tǒng)，保證車輛正常運(yùn)行。

2.2 蓄電池

混合動力系統(tǒng)用蓄電池選用鋰電池，鋰電池具有較高的能量密度，耐充放電，自放電率低、無記憶效應(yīng)、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，同時鋰電池又具備高功率承受能力，便于車輛平時的高強(qiáng)度的啟動加速。

2.3 超級電容

盡管混合動力系統(tǒng)采用了鋰離子電池組作為車輛通過無電區(qū)域的動力電源，但是有軌電車牽引系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)的能量密度和功率密度要求較高，如果單獨采用蓄電池組不能滿足車輛在這兩方面的要求。

同時，在車輛啟動、加速時，電池要經(jīng)常遭受大放電電流的沖擊，電池壽命將因此急劇衰減，如果頻繁更換蓄電池，這對成本控制也是一個極大的考驗。

另外，蓄電池所需充電時間較長，車輛在制動時產(chǎn)生能量不能及時有效的回收，也是單一使用蓄電池組所存在的重大缺點。

超級電容與鋰離子蓄電池聯(lián)用作為車輛的動力系統(tǒng)，在車輛正常行駛過程中，超級電容提供車輛需要的峰值功率。與此同時，通過DC/DC變換器控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)制動能回收。

另外，超級電容還通過控制系統(tǒng)從蓄電池系統(tǒng)快速充電，并為車輛下一次對峰值功率要求做好準(zhǔn)備。因此，可以看出，在混合動力系統(tǒng)中，超級電容的存在減少了蓄電池的功率負(fù)荷，避免了大電流沖擊蓄電池，延長了蓄電池壽命。

3 充放電實驗

圖1 蓄電池組充放電實驗曲線

蓄電池：采用DC750V電源箱為混合動力系統(tǒng)供電，保持蓄電池充電電流80A，如上圖1實驗曲線所示，經(jīng)過32min蓄電池箱充電完成，此時蓄電池組電壓接近510V；此時送入牽引信號，負(fù)載采用水阻，啟動混合動力電源箱蓄電池DC/DC，調(diào)節(jié)V1端的電壓為DC750V，將蓄電池端的電流加到120A持續(xù)運(yùn)行，蓄電池組能夠持續(xù)放電22mim以上。

超級電容：采用相同電源箱對超級電容進(jìn)行充電，充電電流300A，經(jīng)過34s，如上圖2實驗曲線所示，超級電容達(dá)到額定電壓450V；送入牽引信號，采用水阻，保持V1端的電壓為DC750V，將超級電容端的電流加到700A持續(xù)運(yùn)行，超級電容持續(xù)放電25秒以上。

圖2 超級電容充放電實驗曲線

由以上兩個充放電曲線可以看出，蓄電池充電完成瞬間比超級電容充電完成瞬間電壓壓升大很多，主要原因在于蓄電池等效電阻較超級電容大很多，減小等效電阻阻值，有利于提高端電壓的工作效率。

結(jié)語

經(jīng)過系統(tǒng)充放電試驗，證明現(xiàn)代城市有軌電車所采用的混合動力系統(tǒng)，蓄電池組儲存能量基本能夠保證車輛順利經(jīng)過指定長度無電區(qū)；系統(tǒng)超級電容對于車輛制動能量的吸收及時可靠，保證了車輛啟動瞬間能夠提供足夠的大功率電能；系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代城市有軌電車的性能要求。

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