石俊杰，李 明，邵 楠

（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）

基于復(fù)雜線路的混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力性能分析

石俊杰，李 明，邵 楠

（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）

新能源有軌電車在現(xiàn)代城市中應(yīng)用日益廣泛。為保護(hù)城市景觀，避免視覺污染，國內(nèi)多個(gè)城市開始規(guī)劃包含無電網(wǎng)區(qū)域的有軌電車線路。針對(duì)北京西郊線左線的復(fù)雜線路，開發(fā)了基于復(fù)雜線路的混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真軟件，充分考慮了車輛參數(shù)、電源參數(shù)、線路參數(shù)等影響因素，分析了100%低地板輕軌車輛的混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性能，包括起動(dòng)加速度、運(yùn)行速度、行駛里程、電池和超級(jí)電容的能量消耗等。通過對(duì)該混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析，得出該混合動(dòng)力系統(tǒng)符合西郊線動(dòng)力性能的要求。

混合動(dòng)力；蓄電池；超級(jí)電容；動(dòng)力性能

近年來，國內(nèi)多個(gè)城市開始規(guī)劃建設(shè)有軌電車，并在重要區(qū)段設(shè)置無電網(wǎng)區(qū)域，以保護(hù)城市景觀。通過對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)和智能化控制策略的研究［1］，實(shí)現(xiàn)軌道交通節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠的目標(biāo)，是各國人民共同努力的方向。世界各國都在積極探索開發(fā)新能源及車輛設(shè)計(jì)技術(shù)，促進(jìn)人類、環(huán)境、車輛三者友好協(xié)調(diào)發(fā)展，新能源必然成為未來有軌電車發(fā)展的趨勢(shì)［2］。其中，混合動(dòng)力列車（動(dòng)力電池＋超級(jí)電容）具有環(huán)保、高效、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了能源消耗，減少有害物質(zhì)的排放。當(dāng)前我國環(huán)境問題、能源問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排刻不容緩，在城市中規(guī)劃建設(shè)新能源有軌電車對(duì)節(jié)能減排有重要的影響。因此，為達(dá)到節(jié)能減排的目的，研究混合動(dòng)力列車的動(dòng)力性能對(duì)列車的運(yùn)行工況設(shè)定有著重要的意義。

本文從混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理出發(fā)，對(duì)100%低地板混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性能進(jìn)行研究，得到滿足北京西郊線輕軌車動(dòng)力性能需求的混合動(dòng)力系統(tǒng)配置方案。

1 100%低地板車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2013年4月唐山軌道客車有限責(zé)任公司（簡稱：唐車公司）研制的100%低地板輕軌車成功下線，該車首次將裝載超級(jí)電容和動(dòng)力電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)納入到城軌車輛中。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括2個(gè)雙向DC/DC斬波器、1個(gè)超級(jí)電容箱（含能量管理系統(tǒng)）和1個(gè)蓄電池箱（含能量管理系統(tǒng)）。當(dāng)進(jìn)入有電區(qū)時(shí)，電源箱將750 V DC網(wǎng)壓轉(zhuǎn)換成兩路480 V DC電壓分別給蓄電池、超級(jí)電容充電。當(dāng)進(jìn)入無電區(qū)時(shí)，電源箱可以將超級(jí)電容、蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成750 V DC電壓給車輛主變壓器或輔變壓器系統(tǒng)供電，保證車輛的正常運(yùn)行。其簡單主電路原理圖如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

目前，常用的儲(chǔ)能部件主要有以下幾種類型。

（1）超級(jí)電容［3］：功率密度高，具備快充快放電特性，能滿足高加速度所需功率，可實(shí)施制動(dòng)能量高效回收。

（2）動(dòng)力電池［4］：能量密度高，具備持續(xù)放電特性，能滿足長距離運(yùn)用所需能量，可實(shí)施制動(dòng)能量適度回收。

（3）燃料電池［5］：具有效率高的特征，且無污染、可再生，能滿足長時(shí)長距運(yùn)用所需。

（4）超級(jí)電容和動(dòng)力電池混合動(dòng)力電源［6］：綜合利用超級(jí)電容和蓄電池儲(chǔ)能部件的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間長距離和較高速度的運(yùn)用。

對(duì)比以上幾種儲(chǔ)能部件的應(yīng)用特點(diǎn)，本文選用超級(jí)電容和動(dòng)力電池混合動(dòng)力系統(tǒng)電源，以提高車輛運(yùn)行的動(dòng)力性能和設(shè)備使用安全性、可靠性。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真平臺(tái)

由于各個(gè)城市區(qū)域現(xiàn)狀、規(guī)劃方案、地形、地質(zhì)、文物分布及道路寬度的不同，不同區(qū)域?qū)壍澜煌ň€路的要求不同。針對(duì)城市地面軌道交通線路復(fù)雜多樣的情況，唐車公司編制了適合于各種線路情況和供電情況的混合動(dòng)力列車運(yùn)行仿真軟件。該軟件考慮了車輛參數(shù)、混合動(dòng)力系統(tǒng)電源配置方案、線路信息、輔助能耗、坡道阻力等，可針對(duì)不同的線路情況對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，包括任一時(shí)刻的速度、加速度、功率需求，牽引力需求，動(dòng)力電池的能量消耗情況，超級(jí)電容的能量消耗情況等，從而對(duì)車載混合動(dòng)力電源系統(tǒng)進(jìn)行合理的匹配設(shè)置。

針對(duì)北京西郊線的線路情況，利用該混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)100%低地板輕軌車輛的混合動(dòng)力系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析，使該混合動(dòng)力系統(tǒng)滿足運(yùn)行需求。

3 混合動(dòng)力列車的動(dòng)力性能分析

3.1 動(dòng)力性能指標(biāo)參數(shù)

在復(fù)雜線路上（如有網(wǎng)區(qū)和無網(wǎng)區(qū)混合交錯(cuò)線路、上坡道和下坡道交替線路、曲線線路等），混合動(dòng)力系統(tǒng)的配置情況與混合動(dòng)力列車運(yùn)行性能好壞有著直接的聯(lián)系。評(píng)價(jià)混合動(dòng)力列車運(yùn)行好壞的動(dòng)力性能指標(biāo)有行駛速度、行駛里程、起動(dòng)加速度、爬坡能力、蓄電池SOC（State Of Charge電池的荷電狀態(tài)）、超級(jí)電容SOE（State Of Energy超級(jí)電容的能量狀態(tài)）、制動(dòng)回饋能力等。本文分析的100%低地板輕軌車的主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)如表1所示。

表1 100%低地板輕軌車的主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)

3.2 車輛參數(shù)

車輛參數(shù)包括列車的基本參數(shù)、電氣設(shè)備參數(shù)、阻力參數(shù)等。列車的基本參數(shù)主要包括整車質(zhì)量、車輪滾動(dòng)半徑、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率、變速器傳動(dòng)比。電氣設(shè)備參數(shù)包括電機(jī)額定功率、電機(jī)效率、逆變器效率、DC/DC變流器效率和整車輔助功率。100%低地板輕軌車的具體車輛參數(shù)如表2所示。

3.3 電源參數(shù)

電源參數(shù)主要包括動(dòng)力電池參數(shù)、超級(jí)電容參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)和電源控制方式參數(shù)。動(dòng)力電池參數(shù)主要包括單體動(dòng)力電池的額定電壓、額定容量、初始SOC、額定放電倍率、電池配置數(shù)量等。超級(jí)電容參數(shù)主要包括單體超級(jí)電容的額定容量、額定電壓、初始SOE、截止工作SOE、最大放電電流、最大充電電流和電容配置數(shù)量等。電網(wǎng)參數(shù)包括母線電壓和母線最大電流。電源控制參數(shù)是供電方式的選擇，包括單DC/DC切換供電和雙DC/DC混合供電。

表2 100%低地板輕軌車車輛主要參數(shù)

針對(duì)北京西郊線的具體線路情況，本文采用的電源主要參數(shù)如表3所示。

表3 100%低地板輕軌車電源參數(shù)

3.4 線路參數(shù)

線路數(shù)據(jù)包括線路總體數(shù)據(jù)、車站長度、坡道數(shù)據(jù)、水平曲線半徑、停站時(shí)間等，根據(jù)西郊線的具體線路情況，表4為北京西郊線左行線路上的站點(diǎn)及停站信息。

表4 西郊線左行線路站點(diǎn)信息

北京西郊線左線香山站至巴溝站線路屬于復(fù)雜線路，為無網(wǎng)區(qū)＋有網(wǎng)區(qū)＋無網(wǎng)區(qū)交錯(cuò)線路，且香山站至植物園站之間和頤和園西門站至巴溝站之間為無網(wǎng)區(qū)，其余站點(diǎn)之間為有網(wǎng)區(qū)，具體的線路數(shù)據(jù)加載界面如圖2所示。

圖2 西郊線左行線路信息

3.5 仿真分析

針對(duì)北京西郊線左線的復(fù)雜線路（有網(wǎng)區(qū)＋無網(wǎng)區(qū)＋有網(wǎng)區(qū)），分析車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性能。其中，無論是無網(wǎng)區(qū)還是有網(wǎng)區(qū)，在站臺(tái)長度范圍內(nèi)都是有電網(wǎng)存在的。在無網(wǎng)區(qū)，利用站臺(tái)長度范圍內(nèi)的電網(wǎng)對(duì)車輛進(jìn)行起動(dòng)加速，即利用站臺(tái)加速；反之，不利用站臺(tái)長度范圍內(nèi)電網(wǎng)提供動(dòng)力，而是直接利用混合動(dòng)力電源箱對(duì)車輛進(jìn)行起動(dòng)加速，即不利用站臺(tái)加速。本文分別分析了利用站臺(tái)加速和不利用站臺(tái)加速的兩種方案下，車輛的混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性能。

3.5.1 利用站臺(tái)加速

根據(jù)北京西郊線的線路要求，在AW3工況下，期望列車的速度為50 km/h，經(jīng)過仿真分析得出，在整個(gè)線路運(yùn)行過程中，列車的速度、加速度、動(dòng)力電池SOC和超級(jí)電容SOE的時(shí)程曲線，具體如圖3～圖6所示。

由圖3～圖6可以得出：

（1）在香山站至植物園站的無網(wǎng)區(qū)域，考慮站臺(tái)加速，列車的最大運(yùn)行速度可達(dá)50 km/h。由于頤和園南門至巴溝站之間為無網(wǎng)區(qū)域，存在坡度為4%的坡道，導(dǎo)致運(yùn)行阻力比較大，列車的最低速度不足10 km/h，持續(xù)時(shí)間約為30 s，繼而車輛繼續(xù)加速行駛，滿足運(yùn)行要求。

（2）由圖5中SOC時(shí)程曲線可以看出，在整個(gè)線路中的無網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，共消耗動(dòng)力電池的能量約為20%，滿足動(dòng)力電池不能深度放電的要求（根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在3C放電倍率下，電池臨界SOC一般為20%），保證了電池有較高的使用壽命。

車輛進(jìn)站停站后，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電；在有網(wǎng)區(qū)內(nèi)，通過受電弓從電網(wǎng)上取電，維持車輛的運(yùn)行性能。100%低地板輕軌車輛的混合動(dòng)力電源系統(tǒng)性能良好，滿足西郊線的動(dòng)力性能要求。

圖3 列車速度時(shí)程曲線

圖4 列車加速度時(shí)程曲線

圖5 SOC時(shí)程曲線

圖6 SOE時(shí)程曲線

3.5.2 不利用站臺(tái)加速

根據(jù)北京西郊線左線的線路要求，在AW3工況下，期望列車的速度為50 km/h，經(jīng)過仿真分析得出，在整個(gè)線路運(yùn)行過程中，列車的速度、加速度、動(dòng)力電池SOC和超級(jí)電容SOE的時(shí)程曲線，具體如圖7～圖10所示。

圖7 列車速度時(shí)程曲線

圖8 列車加速度時(shí)程曲線

圖9 SOC時(shí)程曲線

圖10 SOE時(shí)程曲線

由圖7～圖10可以得出：

（1）起動(dòng)加速時(shí)，超級(jí)電容能將車輛加速至32 km/h，后續(xù)靠電池加速至50 km/h，由于加速度很低，加速時(shí)間相對(duì)較長。

（2）由圖9可以得出，在頤和園南門和巴溝站之間的無網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，存在坡度為4%的坡道，不考慮站臺(tái)加速，列車的最低速度不足5 km/h，持續(xù)時(shí)間約為60 s，使車輛無法正常行駛，不滿足運(yùn)行要求。

（3）由圖9中SOC的時(shí)程曲線可以看出，在整個(gè)線路中的無網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，共消耗的動(dòng)力電池容量約為30%，動(dòng)力電池的容量消耗較大，對(duì)電池的使用壽命有很大影響。其中，電池電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電，即為深度放電，嚴(yán)重影響電池的壽命。

3.5.3 兩種方案對(duì)比分析

對(duì)比圖3至圖10的數(shù)據(jù)曲線結(jié)果，可以得出：

（1）由圖3和圖7可知，在無網(wǎng)區(qū)段，利用站臺(tái)加速情況下，超級(jí)電容可將速度提高到50 km/h；在不利用站臺(tái)加速的情況下，超級(jí)電容可將速度提高到32 km/h；結(jié)合圖9和圖10可知，在不利用站臺(tái)加速的情況下，需消耗超級(jí)電容45%的能量和動(dòng)力電池2%的能量才能將速度提高至50 km/h。

（2）由圖5和圖9可知，在整個(gè)線路運(yùn)行過程中，利用站臺(tái)加速消耗動(dòng)力電池的容量約為20%，不利用站臺(tái)加速消耗動(dòng)力電池的容量約為30%，即利用站臺(tái)加速可以減少動(dòng)力電池能量的消耗。

（3）利用站臺(tái)加速的方案，電池始終維持在淺充淺放工況，保證了電池具有較長的使用壽命，使得混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性能和可靠性更佳，且保證了車輛更長的無網(wǎng)區(qū)續(xù)駛里程。

4 結(jié)束語

利用混合動(dòng)力列車仿真平臺(tái)，分析了復(fù)雜線路上（有網(wǎng)區(qū)＋無網(wǎng)區(qū)＋有網(wǎng)區(qū)），100%低地板輕軌車混合動(dòng)力系統(tǒng)在利用站臺(tái)加速和不利用站臺(tái)加速兩種方案下車輛的動(dòng)力性能，通過對(duì)兩種方案的分析比較，最終采用利用站臺(tái)加速的方案，來滿足北京西郊線動(dòng)力系統(tǒng)的性能要求。

在100%低地板輕軌車車輛運(yùn)行的整個(gè)過程中，采用站臺(tái)加速的方案，可使車輛提高到較高速度的同時(shí)，又減少了動(dòng)力電池和超級(jí)電容的能量消耗，使動(dòng)力電池和超級(jí)電容都維持在較好的工作狀態(tài)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)充分利用了超級(jí)電容快充快放的特點(diǎn)，在車輛停站的時(shí)間內(nèi)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，滿足車輛的動(dòng)力性能；動(dòng)力電池的充放電狀態(tài)始終維持在淺充淺放工況，提高了電池的循環(huán)使用次數(shù)，保證了電池具有較長的使用壽命。

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Analysis on Dynamic Performance of Hybrid Power System of Complex Railway

SHI Junjie，LI Ming，SH AO Nan
（R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

The new energy city trams are widely applied day by day in modern cities.Many cities began planning the lines in areas without catenary in order to protecting urban landscape and avoiding visual pollution.In this paper，the hybrid power system simulation software was developed，which was based on complex line of left line in the western suburbs of Beijing.The dynamic performance of 100%low-floor LRV was analyzed，including the starting acceleration，speed，mileage，battery and super capacitor energy consumption，which took the vehicle parameters，power supply parameters，line parameters and other factors into account.Through simulation analysis of the dynamic performance，the hybrid power system meets the requirements of dynamic performance of line in the western suburbs of Beijing.

hybrid power；storage batteries；super capacitor；dynamic performance

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.14

1008－7842（2014）03－0057－05

3—）女，工程師（

2013－12－03）