肖 磊，張洪彬，吳俊亮，程玉溪，粟愛(ài)軍，蔣小晴

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

在城市不斷發(fā)展的今天，城市軌道交通的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。軌道交通架空網(wǎng)供電方式不僅需要設(shè)置大量接觸網(wǎng)，也給城市景觀及配套設(shè)施的建設(shè)帶來(lái)影響[2]，因此，使用無(wú)架空網(wǎng)供電的城市軌道交通系統(tǒng)越來(lái)越受到城市管理者的青睞[3]?；谲囕d儲(chǔ)能的無(wú)架空網(wǎng)供電方案為其中一種重要技術(shù)路線，其在城市軌道交通中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，是目前車載儲(chǔ)能方式的主要研究方向之一[4]，也是智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)(autonomous-rail rapid transit, ART)采用的供電方式。

本文首先介紹了傳統(tǒng)超級(jí)電容式有軌電車及動(dòng)力電池式公交客車充電方式特點(diǎn)；然后通過(guò)分析ART實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況，提出了一種基于雙無(wú)線通信鏈路的升弓充電方案，并從充電準(zhǔn)備時(shí)間及實(shí)際充電時(shí)間兩方面進(jìn)行分析，最后通過(guò)智軌電車正線充電測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性，其可提高ART運(yùn)營(yíng)效率。

1 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)及地面充電系統(tǒng)需求分析

車載儲(chǔ)能系統(tǒng)及地面充電系統(tǒng)作為ART能量之源，在整個(gè)大系統(tǒng)中扮演著重要角色[5]。

目前儲(chǔ)能式有軌電車常采用車載超級(jí)電容器為其儲(chǔ)能裝備，并在每個(gè)車站或每隔一個(gè)車站設(shè)置快速充電站，有軌電車車輛運(yùn)行到站點(diǎn)后，在上下客間隙時(shí)間內(nèi)完成充電工作[6]。這種方式消除了運(yùn)行線路區(qū)間段的架空線路，讓線路更簡(jiǎn)潔、城市更美觀[7]；但該模式下全線所需配備的快速充電站較多，導(dǎo)致供電系統(tǒng)成本居高不下。

車載動(dòng)力電池已在新能源公交客車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于裝配有動(dòng)力電池的新能源車輛，其地面充電裝置包括傳導(dǎo)式和非接觸式[8]。傳導(dǎo)式地面充電裝置一般會(huì)設(shè)置充電槍，且內(nèi)部配備通信接口，可在插槍后與車載電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）構(gòu)成CAN通信通路；但該方式充電功率小，充電速度慢。非接觸式充電裝置會(huì)配備車載充電機(jī)，直接在車內(nèi)完成充電機(jī)與電池間的通信交互，該方式車地設(shè)備間無(wú)通信交互，簡(jiǎn)化了地面充電系統(tǒng)功能，但增加了車輛載重及設(shè)備所需安裝空間。

ART作為一種中低運(yùn)量城市軌道交通系統(tǒng)，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下發(fā)車時(shí)間間隔在5 min以上，在客流高峰時(shí)發(fā)車間隔時(shí)間約為3 min。如果快速充電系統(tǒng)能在5 min內(nèi)完成智軌電車單向運(yùn)行能耗的補(bǔ)充，即可僅在首末站設(shè)置快速充電站，首末站區(qū)間由車載動(dòng)力電池供能。這將大幅降低ART在供電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施方面的成本投入。

通過(guò)計(jì)算與實(shí)際測(cè)試，三編組模式下的智軌電車線路運(yùn)行綜合電耗約為2.2 kW·h/km。針對(duì)極寒地區(qū)，如冬季在哈爾濱-30 ℃環(huán)境溫度、AW3載荷且車載空調(diào)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，智軌電車線路運(yùn)行電能損耗約為3.5 kW·h/km。針對(duì)極熱地區(qū)，如夏季在卡塔爾50 ℃環(huán)境溫度，同樣工況下，智軌電車線路運(yùn)行電能損耗約為3.2 kW·h/km。故對(duì)于長(zhǎng)度在20 km以內(nèi)運(yùn)營(yíng)線路，智軌電車單向運(yùn)行電能損耗范圍為44~70 kW·h。智軌電車采用橡膠輪承載，對(duì)車輛載重敏感性高，故車載儲(chǔ)能系統(tǒng)需在保證安全基礎(chǔ)上盡可能提高能量密度，以在有限載重配額內(nèi)發(fā)揮最大的續(xù)航能力。目前，國(guó)內(nèi)超級(jí)電容器產(chǎn)品性能最好的能量密度也僅30 W·h/kg（不含冷卻系統(tǒng)）[9]，其僅為快充型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的1/5，價(jià)格約為快充型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的15倍，壽命約為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的2 倍[10]。

鑒于此，對(duì)于20 km里程內(nèi)的運(yùn)營(yíng)線路，選擇快充型磷酸鐵鋰電池作為智軌電車的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在線路首末站建設(shè)快速充電站，同時(shí)將充電變流功能移至地面充電系統(tǒng)，是滿足ART運(yùn)營(yíng)要求且性價(jià)比最優(yōu)的選擇。表1示出ART電池系統(tǒng)基本參數(shù)。

表1 電池系統(tǒng)基本參數(shù)Tab. 1 Battery system parameters

2 ART快速充電系統(tǒng)組成

ART快速充電系統(tǒng)由一體化預(yù)裝式智能充電站、雙極性充電軌、地面定位識(shí)別裝置及無(wú)線通信系統(tǒng)構(gòu)成。圖1示出ART快速充電系統(tǒng)拓?fù)洹?/p>

2.1 一體化預(yù)裝式智能充電站

一體化預(yù)裝式智能充電站采用集裝箱形式將10 kV高壓開(kāi)關(guān)柜、三繞組特種變壓器、低壓配電柜、電抗器、變流器、隔離開(kāi)關(guān)柜以及控制裝置集成在一個(gè)15 m×3 m×3 m（長(zhǎng)×寬×高）的集裝箱中，單個(gè)集裝箱可支持兩個(gè)充電位，安裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)僅需修建地基即可。

圖2 預(yù)裝式智能充電站關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig. 2 Association diagram of pre-installed charging substation

10 kV開(kāi)關(guān)柜包括進(jìn)線柜、計(jì)量柜、PT柜和饋線柜。2臺(tái)進(jìn)線柜由2路獨(dú)立市政10 kV環(huán)網(wǎng)柜取電，經(jīng)饋線柜輸出至變壓器。三繞組特種變壓器一次側(cè)被接入饋線柜，二次側(cè)包含2路500 V充電回路繞組及1路400 V低壓配電繞組。低壓配電柜被接入變壓器AC 400 V繞組，用于供給智能充電站自用電及鄰近站臺(tái)用電。

電抗器被設(shè)置在變壓器二次側(cè)繞組與變流器之間，用于濾波、無(wú)功補(bǔ)償及限制短路電流等。

變流器采用“PWM四象限整流+多重化DC/DC斬波”方案。PWM四象限整流通過(guò)調(diào)節(jié)相電壓和相電流矢量相位關(guān)系，可有效提高變流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。斬波部分采用雙向三重錯(cuò)相控制，可有效降低輸出電流脈動(dòng)。

隔離開(kāi)關(guān)柜內(nèi)集成安裝有極性轉(zhuǎn)換裝置。其輸出端配有電壓互感器，可在車輛升弓且完成弓軌接觸后采集車載電池電壓并自動(dòng)配置直流輸出極性，最后直流電壓經(jīng)快速斷路器及隔離開(kāi)關(guān)后被輸送至充電軌。

2.2 雙極性充電軌

由于智軌電車采用膠輪承載，其回流系統(tǒng)與有軌電車鋼輪鋼軌回流方式有所差異，因此需配備雙極性充電軌。雙極性充電軌一般被設(shè)置于集裝箱附近車站或單獨(dú)設(shè)置的充電站點(diǎn)內(nèi)。充電軌的長(zhǎng)度需滿足車輛雙向行駛時(shí)車頂受電弓的觸軌充電要求。充電軌包含一組銅鋁合金材質(zhì)的正負(fù)極雙軌和一套充電軌帶電燈顯設(shè)備。

2.3 地面定位識(shí)別裝置及無(wú)線通信系統(tǒng)

ART快速充電系統(tǒng)借用為整個(gè)ART配備、由WiFi與LTE(long term evolution)建立雙冗余備份的無(wú)線通信鏈路，以實(shí)現(xiàn)智軌電車與快速充電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

智軌電車定位系統(tǒng)包括地面設(shè)備（定位射頻接收機(jī)和地磁等）和車載設(shè)備（射頻標(biāo)簽卡）。車輛進(jìn)入充電位后，觸發(fā)地面定位設(shè)備發(fā)出定位信息，此時(shí)該充電位地面定位設(shè)備所綁定的地面充電機(jī)與進(jìn)站車輛建立無(wú)線通信鏈路連接，完成車地充電信息交互的準(zhǔn)備。

3 ART快速充電系統(tǒng)控制策略及流程

3.1 控制策略及流程對(duì)比與分析

超級(jí)電容儲(chǔ)能式車輛在充電時(shí)，地面充電設(shè)備與車載儲(chǔ)能裝置間無(wú)需進(jìn)行通信交互，而是按固定的充電曲線（圖3）進(jìn)行充電。地面設(shè)備通過(guò)弓軌接觸方式采集超級(jí)電容電壓信息，在充電開(kāi)始階段，采用額定恒流方式充電；當(dāng)超級(jí)電容模塊電壓升高至一定值時(shí)，地面充電設(shè)備切換至恒壓充電方式，充電電流逐漸下降，直至車輛降弓駛離，充電結(jié)束。

圖3 超級(jí)電容器充電電流/電壓Fig. 3 Charging current/voltage of super capacitor

動(dòng)力電池儲(chǔ)能式車輛在充電時(shí)，相較超級(jí)電容儲(chǔ)能方式，儲(chǔ)能電池的電化學(xué)模型對(duì)輸入電流更敏感，與電池正負(fù)極相接的充電裝置其直流輸出端不能僅靠檢測(cè)電池電壓的方式來(lái)切換充電模式。儲(chǔ)能電池接收充電電流的能力會(huì)隨單體電壓、電池溫度等參數(shù)的變化而變化。BMS會(huì)根據(jù)電池自身狀態(tài)持續(xù)更新充電電流需求，而充電機(jī)則需實(shí)時(shí)地響應(yīng)BMS的電流需求。因此地面充電機(jī)與車載BMS間的信息交互是一個(gè)持續(xù)且動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

車載動(dòng)力電池在城市公交領(lǐng)域已得到大規(guī)模應(yīng)用，ART快速充電可以借鑒普通新能源電動(dòng)公交車輛的充電策略。目前純電動(dòng)公交車輛一般采用插槍方式充電。為保證充電連接的安全性，根據(jù)GB/T 20234-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置》標(biāo)準(zhǔn)，充電槍插頭與車載槍充口觸頭接觸順序?yàn)椋海?）保護(hù)接地；（2）直流電源正負(fù)與車輛端連接確認(rèn)；（3）低壓輔助電源正負(fù)與車輛端連接確認(rèn)；（4）CAN通信線與車輛端連接確認(rèn)[11]。

直流充電樁充電流程如圖4所示[12]。充電槍與車輛完成物理連接后，充電樁控制器獲得連接確認(rèn)信號(hào)，相關(guān)接觸器導(dǎo)通，低壓輔助電源向回路供電；電池與地面充電樁建立車地握手通信；經(jīng)絕緣檢測(cè)、參數(shù)辨識(shí)后，若一切正常，則充電樁開(kāi)始送電，電池進(jìn)入正式充電階段[13]。在充電階段，BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛電池電壓、電流和溫度等參數(shù)并與充電樁進(jìn)行通信，以便充電樁及時(shí)調(diào)整輸出電壓和電流[14]。

從開(kāi)始物理連接操作至充電機(jī)啟動(dòng)輸出電流這段時(shí)間被稱為充電準(zhǔn)備時(shí)間，其主要包括插槍操作時(shí)間及充電機(jī)觸控屏操作時(shí)間。參考市面上普通插槍式直流充電樁產(chǎn)品參數(shù)，插槍操作耗時(shí)受人為因素影響較大，通常耗時(shí)約20 s，插槍操作完成后，低壓通信回路、低壓輔源回路及高壓充電回路同時(shí)建立；充電機(jī)觸控屏操作耗時(shí)受充電機(jī)CPU處理器性能及系統(tǒng)高低壓回路自檢時(shí)間影響較大，通常約30 s，故充電準(zhǔn)備時(shí)間合計(jì)約50 s。50 s充電準(zhǔn)備耗時(shí)對(duì)于公交車輛來(lái)說(shuō)可以接受；但ART線路運(yùn)營(yíng)要求發(fā)車時(shí)間精確，發(fā)車間隔緊湊，故需盡可能縮短充電準(zhǔn)備時(shí)間，以提高有限時(shí)間內(nèi)的補(bǔ)電效率。

圖4 直流充電樁充電流程Fig. 4 Flow diagram of DC charging spot

3.2 專有充電策略與流程

在智軌電車充電系統(tǒng)中引入無(wú)線通信鏈路，以解決儲(chǔ)能電池與地面充電系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)信息交互問(wèn)題。充電系統(tǒng)無(wú)線通信包括WiFi和4G-LTE兩種模式，優(yōu)先使用WiFi通信鏈路，4G-LTE模式作為備用通信鏈路。

智軌電車駛?cè)氤潆娬厩?，車載WiFi模塊與地面WiFi完成連接，4G-LTE模式實(shí)時(shí)進(jìn)行連接。充電站存在多個(gè)充電位，為建立智軌電車與所在充電位間的網(wǎng)絡(luò)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)充電位配備1套射頻定位設(shè)備；進(jìn)站后，定位接收機(jī)可識(shí)別進(jìn)站車輛車頭安裝的標(biāo)簽卡。上、下行充電站橫向間隔約4 m，射頻定位精度小于1 m，以保證車輛到站后定位的準(zhǔn)確性。定位信息被識(shí)別成功后，射頻接收機(jī)生成定位信息，并通過(guò)無(wú)線鏈路傳至車輛；車輛根據(jù)位置信號(hào)確定目標(biāo)地面充電機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址。

到達(dá)充電點(diǎn)后，司機(jī)點(diǎn)擊“升弓”按鈕（也可設(shè)置“自動(dòng)升弓”），觸發(fā)以太網(wǎng)無(wú)線鏈路的車載端確認(rèn)數(shù)據(jù)向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)出，自動(dòng)建立車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與地面充電機(jī)以太網(wǎng)接口間的無(wú)線通信通路；同時(shí)車載受電弓繼電器被觸發(fā)閉合，其繼電器反饋確認(rèn)信號(hào)至BMS，觸發(fā)BMS“充電允許”狀態(tài)位變化。類似于直流充電時(shí)，插槍后觸發(fā)的CC2連接確認(rèn)信號(hào)。

對(duì)于“弓充”流程，車輛駛?cè)氤潆娷壪?，點(diǎn)擊“升弓”按鈕（亦可設(shè)置為“自動(dòng)升弓”）至充電機(jī)啟動(dòng)輸出電流間的時(shí)間為充電準(zhǔn)備時(shí)間。相較純電動(dòng)公交車的“槍充”流程，智軌電車的充電流程中，通過(guò)在車輛進(jìn)站前建立車地以太網(wǎng)無(wú)線通信通路，將插槍操作中低壓通信回路建立過(guò)程提前至充電準(zhǔn)備時(shí)間之前；同時(shí)將插槍操作中人為因素影響降低。充電準(zhǔn)備時(shí)間中等待弓軌接觸耗時(shí)總共僅需4 s。弓軌接觸后可自動(dòng)激活“啟動(dòng)充電”免去觸控屏操作時(shí)間，系統(tǒng)回路自檢耗時(shí)約5 s。實(shí)際“弓充”充電準(zhǔn)備時(shí)間僅為9 s左右，遠(yuǎn)低于“槍充”流程。圖5示出智軌電車快速充電流程。

圖5 智軌電車快速充電流程Fig. 5 Charging fl ow of autonomous-rail rapid tram

通過(guò)建立無(wú)線通信交互，快速充電系統(tǒng)具備了根據(jù)車載BMS的充電電流需求進(jìn)行分段充電的能力，最高可穩(wěn)定輸出600 kW電功率。相較于150 kW直流充電樁，輸出同樣電能時(shí)，ART快速充電系統(tǒng)充電速度提升近3倍。通過(guò)縮短充電準(zhǔn)備時(shí)間和實(shí)際充電時(shí)間，ART運(yùn)營(yíng)線路在有限的發(fā)車間隔內(nèi)充電效率得以提高，線路運(yùn)營(yíng)效率也隨之提高。

智軌電車可雙向行駛且地面快充設(shè)備配備有雙極性充電軌，車頂受電弓升弓到位，在充電位完成弓軌接觸后，地面充電機(jī)需先檢測(cè)車載電池高壓正負(fù)極；隨后根據(jù)電池極性判斷電能輸出極性，并觸發(fā)相應(yīng)的隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作；隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作完成后，充電機(jī)進(jìn)行車地充電回路絕緣檢測(cè)，同時(shí)隔離開(kāi)關(guān)后端充電模塊啟動(dòng)電池電壓檢測(cè)，觸發(fā)充電機(jī)“充電允許”開(kāi)關(guān)，狀態(tài)位變化，并通過(guò)無(wú)線通信鏈路向車載網(wǎng)絡(luò)控制器(vehicle control unit，VCU)發(fā)送充電允許信息。

車輛收到充電機(jī)充電允許信息后，“啟動(dòng)充電”信號(hào)被激活，開(kāi)始進(jìn)入到BMS與充電機(jī)間按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930-2015 《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》要求進(jìn)行的充電交互流程，包括充電握手、參數(shù)辨識(shí)和參數(shù)配置；上述報(bào)文信息正常，則觸發(fā)充電準(zhǔn)備就緒信號(hào)，從而進(jìn)入正式充電過(guò)程。整個(gè)正式充電階段，電池需持續(xù)發(fā)送充電需求和充電狀態(tài)信息至充電機(jī)；充電機(jī)實(shí)時(shí)接收充電需求信息后，回復(fù)充電機(jī)狀態(tài)報(bào)文，并持續(xù)監(jiān)控整車端是否發(fā)送“停止充電”報(bào)文，若收到停止充電報(bào)文，則進(jìn)入停止充電狀態(tài)。

正式充電階段，若經(jīng)控制屏觸發(fā) “停止充電”、“電池充滿自動(dòng)停充”及“故障停充”（包括充電機(jī)故障停充、電池故障停充和網(wǎng)絡(luò)故障停充）等信號(hào)，則會(huì)導(dǎo)致充電過(guò)程終止。充電機(jī)在成功停止充電后，會(huì)退出車地?zé)o線連接狀態(tài)，等待下一次車輛駛?cè)攵|發(fā)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接；同時(shí)，整車高壓回路檢測(cè)到無(wú)充電電流后，受電弓連接確認(rèn)信號(hào)清零，受電弓繼電器斷開(kāi)，繼電器反饋狀態(tài)位信息至BMS，觸發(fā)電池充電允許狀態(tài)位信號(hào)變化 ；控制屏觸發(fā)“停充成功降弓”提示，司機(jī)點(diǎn)擊“降弓”按鈕，至此，車地充電交互結(jié)束，車輛等待下一次升弓觸發(fā)充電交互流程。

4 測(cè)試驗(yàn)證

目前ART快速充電系統(tǒng)已在株洲市與宜賓市ART線路上進(jìn)行部署及應(yīng)用，獲得了較好的效果[15]。其關(guān)聯(lián)設(shè)備主要涉及車載BMS、VCU和充電機(jī)。VCU與BMS間采用車載CAN總線協(xié)議通信，通過(guò)車內(nèi)CAN通信線束直接連接；VCU與充電機(jī)通過(guò)無(wú)線通信鏈路完成數(shù)據(jù)交互[16]。

CAN總線通信階段交互內(nèi)容包括充電握手、充電參數(shù)配置、充電階段和充電結(jié)束。在充電階段，電池采用分段恒流方式充電，由電池BMS根據(jù)電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）、單體電壓及電芯溫度等參數(shù)計(jì)算出充電電流需求；充電機(jī)作為分段恒流源，根據(jù)電池電流需求輸出電能。圖6示出ART快速充電系統(tǒng)輸出電流波形。可以看出，快速充電系統(tǒng)根據(jù)BMS電流需求實(shí)行分段充電，最大輸出電流達(dá)到868 A，輸出功率穩(wěn)定在600 kW，并在第一段300 s內(nèi)完成了50 kW·h的電能輸出，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。目前ART快速充電系統(tǒng)已具備1 000 kW以上的充電能力，后續(xù)將通過(guò)提升儲(chǔ)能電池的受流能力來(lái)提升智軌電車的充電能力。在某些對(duì)發(fā)車密度需求較大的應(yīng)用場(chǎng)景下，可通過(guò)增加車載儲(chǔ)能電池配置以滿足運(yùn)營(yíng)要求。

圖6 ART快速充電系統(tǒng)輸出電流Fig. 6 Output current of ART quick-charging system

5 結(jié)語(yǔ)

ART作為一種新型中小運(yùn)量軌道交通制式，為解決城市公共交通問(wèn)題提供了一種新選擇。本文針對(duì)智軌電車充電方式特點(diǎn)，提出了智軌電車的充電系統(tǒng)拓?fù)渑c充電控制策略。采用所提方案，大大縮短了充電準(zhǔn)備時(shí)間和實(shí)際充電時(shí)間，提高了ART線路運(yùn)營(yíng)效率。

隨著新能源車輛車載以太網(wǎng)技術(shù)的推進(jìn)，新一代儲(chǔ)能電池BMS可直接與VCU通過(guò)車內(nèi)以太網(wǎng)總線相連接，能有效減少通信鏈路節(jié)點(diǎn)，且雙方數(shù)據(jù)交互無(wú)需協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)一步保證交互數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性[17]。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，充電系統(tǒng)無(wú)線鏈路也可在現(xiàn)有4G-LTE基礎(chǔ)上進(jìn)行同步升級(jí)，將進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斔俾省?/p>