(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

低碳、綠色、智能的交通系統(tǒng)已越來(lái)越受到世界各國(guó)的支持和推廣，其中，儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)以其能耗小、線路投資低、無(wú)需架設(shè)供電網(wǎng)線的特點(diǎn)，近年來(lái)得到我國(guó)多地區(qū)的大力推廣及認(rèn)可?，F(xiàn)有的儲(chǔ)能式有軌電車(chē)供電方式均是利用停站的時(shí)間，通過(guò)地面充電系統(tǒng)為車(chē)輛充電，一旦地面充電系統(tǒng)發(fā)生故障，將影響車(chē)輛運(yùn)營(yíng)。因此，需要一種能夠暫時(shí)替代地面充電系統(tǒng)的一種快速充電的移動(dòng)式充電裝置。本文介紹了一種儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置，該充電裝置能在地面充電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，在較短的時(shí)間內(nèi)為車(chē)輛補(bǔ)充電能，使其安全可靠的運(yùn)行至下一站。

1 系統(tǒng)概述及原理

1.1 系統(tǒng)概述

儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置采用柴油機(jī)和混合型超級(jí)電容(電池電容)混合充電方案，主要由柴油發(fā)電機(jī)組、電池電容模組、AC/DC模塊、DC/DC模塊組成。儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置通過(guò)發(fā)電機(jī)將化石能量轉(zhuǎn)化為三相交流電能，然后經(jīng)三相不可控二極管整流器整流后，轉(zhuǎn)化為直流電源，再經(jīng)過(guò)直流降壓斬波器輸出給超級(jí)電容。

當(dāng)有軌電車(chē)未進(jìn)站時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)AC/DC模塊為電池電容模組進(jìn)行充電；當(dāng)有軌電車(chē)進(jìn)站時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組和電池電容模組同時(shí)給有軌電車(chē)車(chē)載超級(jí)電容充電，由于電池電容短時(shí)大功率輸出特性，有軌電車(chē)車(chē)載超級(jí)電容能在短時(shí)內(nèi)將能量充滿。

1.2 基本原理

儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置原理框圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)組電壓：3AC800 V

電池電容單體容量：60 000 F

電池電容組成：采用48個(gè)模組串聯(lián)組成，每個(gè)模組3并6串

電池電容存儲(chǔ)能量為：43.2 kWh

電池電容柜電壓：DC720 V-DC950 V

移動(dòng)充電裝置充電電壓：DC0-DC900 V

移動(dòng)充電裝置最大充電電流：DC0-DC1 200 A

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置外形采用箱體設(shè)計(jì)，整個(gè)箱體分為3個(gè)腔體，前段兩側(cè)為發(fā)電機(jī)和電池電容柜，后端為充電柜，以及輸出正負(fù)極、接地線的接線盤(pán)。充電裝置外形尺寸約為：5 000 mm×2 300 mm×2 800 mm，如圖2所示。整套充電裝置可固定安裝在中型卡車(chē)上，便于移動(dòng)運(yùn)輸。

圖2 儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置外形

如圖3所示，前部柴油發(fā)電機(jī)組與電池電容柜重量各為2 500 kg，分在兩側(cè)，平衡左右兩側(cè)重心，中間為550 mm的檢修通道。后端為充電柜，充電柜重量為1 500 kg，輸出正負(fù)極、接地線的接線盤(pán)安置在充電柜側(cè)邊。整套充電裝置的重量約為7 000 kg。

圖3 儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置設(shè)備布置圖

3 主要部件

3.1 柴油發(fā)電機(jī)組

3.1.1 柴油發(fā)電機(jī)組概述

柴油發(fā)電機(jī)組由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(引擎)、交流發(fā)電機(jī)(電球)和控制系統(tǒng)三大主要部件組成。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是引擎設(shè)備，用來(lái)發(fā)動(dòng)整個(gè)發(fā)電機(jī)組；交流發(fā)電機(jī)即電球，用來(lái)發(fā)電；控制系統(tǒng)用來(lái)控制整個(gè)發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、運(yùn)行和停止。另外，發(fā)電機(jī)組還包括控制柜(面板)、開(kāi)關(guān)柜、 散熱水箱、聯(lián)軸器、燃油箱、起動(dòng)和控制用蓄電池、保護(hù)裝置、消聲器及公共底座等組件。

3.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

柴油發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

3.2 電池電容柜

電池電容具有高能量密度、大容量、大電流充放電和長(zhǎng)循環(huán)壽命等特點(diǎn)，在車(chē)輛未進(jìn)站時(shí)，能夠存儲(chǔ)能量，在車(chē)輛進(jìn)補(bǔ)需要充電時(shí)能快速釋放能量與柴油機(jī)組一起為車(chē)輛超級(jí)電容充電。電池電容柜采用單體為60 000 F的電池電容單體，整套電池電容柜由48個(gè)模組串聯(lián)組成，每個(gè)模組由3并6串單體組成，共存儲(chǔ)電量為43.2 kWh。

3.3 充電柜

充電柜整個(gè)系統(tǒng)的主要部件包括輸入熔斷器、主接觸器、預(yù)充電接觸器、整流模塊、電容模塊單向DCDC模塊、雙向DCDC模塊、儲(chǔ)能電感、輸出熔斷器和輸出接觸器。充電柜的電氣原理框圖如圖4所示，各部件作用如下。

1)輸入熔斷器用于在系統(tǒng)輸入端進(jìn)行短路大電流保護(hù)。

2)預(yù)充電接觸器用于對(duì)母線支撐電容進(jìn)行預(yù)充電。

3)主接觸器用于對(duì)輸入電進(jìn)行投入和切除。

4)整流模塊將三相電進(jìn)行整流，轉(zhuǎn)化為直流電。

5)電容模塊并聯(lián)在直流母線正負(fù)極，起濾波和支撐母線電壓作用。

6)雙向DCDC模塊用于對(duì)儲(chǔ)能電源柜進(jìn)行充放電。

7)單向DCDC模塊用于對(duì)電車(chē)上的車(chē)載電容進(jìn)行充電。

8)儲(chǔ)能電感用于在進(jìn)行DCDC變換時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能。

9)輸出熔斷器對(duì)模塊和系統(tǒng)進(jìn)行大電流保護(hù)。

10)輸出接觸器用于與充電柜輸出端連接的設(shè)備進(jìn)行投切。

4 充電策略

4.1 電池電容充電時(shí)間

柴油發(fā)電機(jī)組功率為200 kW，DC/DC模塊為電池電容按恒功率200 kW充電；地面儲(chǔ)能電源一共能存儲(chǔ)43.2 kWh的電量，雙向DC/DC模塊轉(zhuǎn)換效率97%，則地面儲(chǔ)能電源充滿電共需要43.2 kWh/(200 kW×97%)=13.3 min。

4.2 有軌電車(chē)超級(jí)電容充電邏輯

車(chē)輛在進(jìn)站時(shí)若電壓較低，若以最大功率輸出充電，則輸出充電電流超過(guò)DC/DC模塊最大輸出電流。因此，儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置采用先恒流輸出，再以最大功率輸出方式充電，實(shí)現(xiàn)車(chē)載超級(jí)電容在較短時(shí)間內(nèi)充滿。

圖4 儲(chǔ)能移動(dòng)充電柜電氣原理框圖

車(chē)輛需要充電時(shí)，儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置會(huì)先對(duì)車(chē)載超級(jí)電容進(jìn)行恒流1 200 A充電，隨著電池電容輸出功率的下降，當(dāng)達(dá)到車(chē)載超級(jí)電容電壓達(dá)到一定值Uc時(shí)，充電裝置轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)恒功率(200 kW)、地面儲(chǔ)能電容恒流(600 A)輸出的模式，以最大輸出功率為車(chē)載超級(jí)電容充電，直至車(chē)載超級(jí)電容達(dá)到最高電壓。充電邏輯如圖5所示，車(chē)載超級(jí)電容充電時(shí)的電壓電流曲線如圖6所示。

圖5 車(chē)載超級(jí)電容充電邏輯圖

圖6 車(chē)載電容充電電壓電流曲線

4.3 臨界點(diǎn)的確定

在工作模式切換的臨界點(diǎn)時(shí)，車(chē)載超級(jí)電容充電功率為電池電容功率與柴油發(fā)電機(jī)組功率之和。則有：

I1·U1=(U2·I2·η1+P1)·η2

(1)

其中：U1為車(chē)載超級(jí)電容電壓

U2為電池電容電壓

I1為車(chē)載超級(jí)電容充電電流

I2為電池電容輸出電流

η1為電池電容輸出效率

η2為儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置輸出效率

已知車(chē)載超級(jí)電容容量C1為192 F；根據(jù)電池電容特性，儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置電池電容等效容量C2為868 F。

充電裝置恒流I1=1 200 A給車(chē)載電容充電的時(shí)間為t1，車(chē)載超級(jí)電容在t1時(shí)間內(nèi)增加的能量為柴油機(jī)提供的能量與電池電容提供的能量之和，則有：

(2)

綜合(1)(2)求得從超始電壓500 V充電至工作模式切換臨界點(diǎn)時(shí)間t1=16.6 s，有軌電車(chē)車(chē)載超級(jí)電容電壓(臨界電壓)Uc=603.8 V。

因此儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置在車(chē)載超級(jí)電容電壓達(dá)到603.8 V時(shí)，切換充電模式，由柴油機(jī)200 kW功率、電池電容恒流600 A輸出的模式，以最大輸出功率為車(chē)載超級(jí)電容充電。

5 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置樣機(jī)的輸出特性，采用分布式測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)不同工況下的充電站輸出特性進(jìn)行了測(cè)試。表2介紹了分別從各個(gè)起始電壓充電的輸出特性，試驗(yàn)結(jié)果滿足有軌電車(chē)超級(jí)電容快速充電要求。

表2 儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置輸出特征參數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司自主研發(fā)的儲(chǔ)能移動(dòng)式充電裝置，采用具有高能量密度、大功率充放電特點(diǎn)的60 000 F電池電容作為儲(chǔ)能裝置，與柴油發(fā)電機(jī)組匹配，解決了有軌電車(chē)地面充電裝置故障情況下車(chē)載超級(jí)電容的快速充電問(wèn)題。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，進(jìn)一步保障了儲(chǔ)能式有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)的可靠性，具有較強(qiáng)的推廣意義。