徐興龍

（廣州有軌電車有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，儲(chǔ)能式新型有軌電車蓬勃發(fā)展，已在多個(gè)城市投入運(yùn)營(yíng)。目前，儲(chǔ)能式有軌電車供電模式主要有超級(jí)電容單獨(dú)供電、贗電容供電以及超級(jí)電容和鈦酸鋰電池混合供電三種模式[1]。其中，超級(jí)電容和鈦酸鋰電池混合供電可以充分利用超級(jí)電容快充快放和鈦酸鋰電池安全續(xù)航的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以縮短線路充電站的建設(shè)周期，而且可以降低線路充電站的建設(shè)成本。

鈦酸鋰電池具有重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但其在軌道交通應(yīng)用仍處于初級(jí)階段[2]。該文針對(duì)間歇式充電的有軌電車線路，通過仿真計(jì)算提出一種基于超級(jí)電容和鈦酸鋰電池混合供電策略。

1 有軌電車運(yùn)營(yíng)技術(shù)條件

該文以某城市已開通運(yùn)營(yíng)有軌電車線路為例，線路長(zhǎng)度14.4 km，共設(shè)19個(gè)站，其中充電站13個(gè)。

有軌電車為四模塊編組的新型儲(chǔ)能式有軌電車，編組方式為=Mc1+T++M+Mc2=。其中2個(gè)為帶司機(jī)室的動(dòng)力模塊，1個(gè)不帶司機(jī)室的動(dòng)力模塊，1個(gè)帶受電器的拖車模塊。整列車共4個(gè)轉(zhuǎn)向架，3個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和1個(gè)拖車轉(zhuǎn)向架。列車長(zhǎng)36.6 m，寬2.65 m，最高運(yùn)行速度70 km/h。列車AW1載客72人，AW2載客280人，AW3載客364人。車輛采用3臺(tái)超級(jí)電容與1臺(tái)鈦酸鋰電池（前端配置雙向DC/DC）的混合供電方案。

車輛主要電氣性能指標(biāo)如表1所示。

表1 車輛主要電氣性能指標(biāo)

2 混合供電方案概述

混合供電通過超級(jí)電容優(yōu)先供電，當(dāng)車輛續(xù)航需鈦酸鋰電池補(bǔ)充能量時(shí)，或超級(jí)電容電壓低于一定值時(shí)，雙向DC/DC開通，鈦酸鋰電池開始投入為車輛補(bǔ)充能量。制動(dòng)工況再生能量?jī)?yōu)先反饋至超級(jí)電容，在大長(zhǎng)下坡路段，雙向DC/DC開通將再生制動(dòng)能量或者超級(jí)電容的能量反饋給鈦酸鋰電池充電，如圖1所示。

圖1 雙向DC/DC充放電原理

該方案綜合利用超級(jí)電容放電倍率大但儲(chǔ)存能量較少，鈦酸鋰電池放電倍率較小但儲(chǔ)存能量大的特點(diǎn)，通過該混合供電方案以實(shí)現(xiàn)列車動(dòng)力性能和儲(chǔ)能增程的要求。

3 充電控制策略

列車?？吭谡九_(tái)時(shí)，優(yōu)先滿足超級(jí)電容充電，再給鈦酸鋰電池充電。雙向DC/DC開啟給鈦酸鋰電池充電需同時(shí)滿足如下條件：

（1）車輛為零速狀態(tài)。

（2）車輛無牽引指令。

（3）受流器檢測(cè)到輸入電流＞50 A。

（4）超級(jí)電容充電到800 V。

列車?？吭谡九_(tái)時(shí)，關(guān)閉雙向DC/DC，滿足如下條件之一即可：

（1）車輛為非零速狀態(tài)。

（2）收到牽引指令。

（3）鈦酸鋰電池充滿電（由鈦酸鋰電池通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送容量狀態(tài)信息給DC/DC，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)由DC/DC判斷電壓）。

3.1 正常工況下的仿真計(jì)算

列車超級(jí)電容為9 500 F單體電容，每個(gè)箱體有688個(gè)單體（2并344串），3個(gè)箱體可用電量10.104 kWh（考慮全壽命周期衰減20%，最高電壓900 V），單組最大放電電流約為600 A。鈦酸鋰電池可用電量33 kWh。正常工況下，列車網(wǎng)絡(luò)正常，仿真計(jì)算基于以下條件：

（1）載荷情況為 AW2載荷，車輛最高運(yùn)行速度為70 km/h。

（2）車輛工作正常電壓500～900 V，運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓不低于500 V。

（3）按照提供的線路條件，考慮到儲(chǔ)能電源全壽命周期內(nèi)20%的容量衰減，正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能電源最低放電電壓為DC500 V。

（4）考慮路口停車、路口等待時(shí)間的影響。

（5）根據(jù)運(yùn)行區(qū)段不同的彎曲半徑信息，考慮了因彎曲半徑過小而不得不采取限速措施的影響。

（6）根據(jù)超級(jí)電容電壓的變化情況，考慮了鋰電池?fù)駲C(jī)投入使用的情況。

（7）為保證行車安全，路口要有一定的限速運(yùn)行措施：因相鄰路口間隔及路口自身長(zhǎng)度的制約，部分路口最高限速由車輛的牽引及電制動(dòng)性能確定，但不高于30 km/h。全路段所有路口最高運(yùn)行時(shí)速30 km/h。

上行線輔助系統(tǒng)功率按照超級(jí)電容電壓分級(jí)不減載，線路站間耗能統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 上行線路區(qū)間能耗仿真計(jì)算

從仿真結(jié)果可知，列車運(yùn)行時(shí)間為2 485.4 s，平均運(yùn)行速度為20.67 km/h（不含首尾停站時(shí)間）。不考慮充電站停車時(shí)能耗，上行線車輛總能耗為99.21 kWh，其中牽引系統(tǒng)總能耗為63.4 kWh，輔助系統(tǒng)總能耗為35.33 kWh；鋰電池提供能耗為16.34 kWh，鋰電池充電時(shí)間共需要199 s。若在站間給鋰電池充電，可為鋰電池補(bǔ)電時(shí)間累計(jì)180 s，充電14.8 kWh。終點(diǎn)站剩余45 s足以把鋰電池充滿。

下行線路輔助系統(tǒng)功率按照超級(jí)電容電壓分級(jí)不減載，線路站間耗能統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 下行線路區(qū)間能耗仿真計(jì)算

下行線路輔助系統(tǒng)功率按照超級(jí)電容電壓分級(jí)不減載，車輛運(yùn)行行時(shí)間為2 505.4 s，平均運(yùn)行速度為20.51 km/h（不含首尾停站時(shí)間）。

輔助系統(tǒng)功率按照超級(jí)電容電壓分級(jí)不減載，不考慮充電站停車時(shí)能耗，下行線車輛總能耗為94.5 kWh，其中牽引系統(tǒng)總能耗為58.9 kWh，輔助系統(tǒng)總能耗為35.6 kWh；鋰電池提供能耗為15.1 kWh，需要充電時(shí)間183 s。若在站間給鋰電池充電，充電站可為鋰電池充電時(shí)間累計(jì)188 s，補(bǔ)電15.1 kWh。

3.2 故障運(yùn)行能力仿真計(jì)算

按照現(xiàn)有充電站設(shè)置，若任意充電站突發(fā)故障，故障時(shí)間不確定，即預(yù)先不知道充電站故障。為保證車輛能順利運(yùn)行到下一個(gè)正常充電站，實(shí)施以下控制。

（1）從故障充電站開始到下一個(gè)正常充電站，鋰電池全程投入。

（2）正常情況下，交流負(fù)載為0 kW，直流負(fù)載為9.21 kW，單臺(tái)客室空調(diào)的功率為18.43 kW，單臺(tái)司機(jī)室空調(diào)的功率為2.12 kW，輔助負(fù)載共51.16 kW；當(dāng)充電站故障后，從故障充電站開始輔助負(fù)載功率按以下控制適當(dāng)降載：交流負(fù)載為0 kW，直流負(fù)載為9.21 kW，單臺(tái)客室空調(diào)的功率為8.26 kW，單臺(tái)司機(jī)室空調(diào)的功率為2.12 kW，輔助負(fù)載共30.82 kW。

（3）從故障充電站開始，車輛進(jìn)行限速。

（4）該次仿真計(jì)算分別選取上行線路及下行線路條件最惡劣的區(qū)間（鋰電池投入最大）的充電站和終點(diǎn)站充電站故障進(jìn)行仿真。

上行線路線坑站充電站故障退出運(yùn)行，在線坑站開始進(jìn)行限速，限速28 km/h可以運(yùn)行到下一個(gè)充電站（會(huì)議中心站）。仿真計(jì)算數(shù)據(jù)如表4。

表4 上行區(qū)間充電站故障能耗仿真計(jì)算

上行終點(diǎn)站新豐路站故障退出運(yùn)行，在新豐站開始進(jìn)行限速，限速40 km/h可以運(yùn)行到下一個(gè)充電站（賢江公園）。仿真數(shù)據(jù)如表5。

表5 上行區(qū)間終點(diǎn)站充電站故障能耗仿真計(jì)算

下行線路賢江公園充電站故障退出運(yùn)行仿真，在賢江公園開始進(jìn)行限速，限速45 km/h可以運(yùn)行到下一個(gè)充電站（嶺頭東站）。區(qū)間仿真數(shù)據(jù)如表6。

表6 下行區(qū)間充電站故障能耗仿真計(jì)算

下行線路終點(diǎn)站（香雪站）故障退出運(yùn)行仿真，在香雪站開始進(jìn)行限速，限速32 km/h可以運(yùn)行到下一個(gè)充電站（線坑站）。區(qū)間仿真數(shù)據(jù)如表7。

表7 下行區(qū)間終點(diǎn)站充電站故障能耗仿真計(jì)算

從線路仿真計(jì)算可知，按照現(xiàn)有13個(gè)充電站設(shè)置，車輛正常限速70 km/h，終點(diǎn)站充電時(shí)間90 s，考慮停站期間和終點(diǎn)站給鋰電池充電，上行和下行在終點(diǎn)站都能把鋰電池充滿。當(dāng)某一充電站故障后，從故障充電站開始到下一個(gè)正常充電站，空調(diào)功率減載50%，限速28 km/h能運(yùn)行到下一個(gè)正常充電站。

4 總結(jié)

該文針對(duì)城市混合供電儲(chǔ)能式有軌電車工況，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車混合供電系統(tǒng)方案，并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行能力進(jìn)行評(píng)估，說明超級(jí)電容和鈦酸鋰電池系統(tǒng)配置方案可以滿足車輛運(yùn)營(yíng)需求。該方案充分利用超級(jí)電容快充快放和鈦酸鋰電池安全續(xù)航的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以縮短線路充電站的建設(shè)周期，而且可以降低線路充電站的建設(shè)成本。