储能式有轨电车混合动力系统及其控制策略
王丹梅 尚江傲 周利
摘 要：本文基于电容和电池混合储能的高能量密度和高强度电流能力的优势，结合线路特征，通过能量仿真计算，研究混合供电控制策略，实现混合动力技术对全线无接触网有轨电车的续航能力、运行时效性和经济性的提升，通过混合动力技术的研究及验证，以推广该系统在有轨电车领域的广泛应用。
关键词：混合动力;超级电容;电池;储能式无接触网有轨电车;自动控制
储能式现代有轨电车采用车载储能电源，牵引时储能电源作为牵引动力电源放电;制动时采用全再生制动，动能转化为电能储存在储能电源中，提高了能源利用效率。
车载储能电源采用超级电容和电池作为储能元件，利用超级电容功率密度大能力密度小，电池功率密度小但能量密度大的特点，研究超级电容与电池的混合供电技术，实现储能式有轨电车动力性能和储能增程的要求。可适应用户线路交通拥堵情况时的车辆用能要求及用户线路越站不充电要求，提升了运行时效性和经济性。
1 车辆基本参数
1.1 车辆基本概况
（1）供电型式。区间无接触网，通过超级电容和电池混合供电系统提供能量及回收再生能量;车站设置接触轨，通过受电器受电，并给混合供电系统快速充电。
（2）列车编组型式。车辆由五模块组成，包含2台动力转向架和1台非动力转向架。
（3）列车总重：50.33t/68.57t/73.31t（AW0/AW2/AW3）。
（4）轮径：650/620/590mm（新轮/半磨耗/全磨耗）。
1.2 车辆线路条件
以某车辆用户线路情况为例，线路总长约8.3km，共15个站。用户全线路仅设置6个充电桩，车辆在其他站点无须充电，且区间需考虑十字路口等待时间。
1.3 混合动力系统配置
车辆采用2台超级电容组和1台动力蓄电池混合供电系统作为储能电源，蓄电池前端设置双向DC/DC，用于蓄电池的充放电控制，实现全线无接触网运行。
（1）超级电容组：额定容量：75F，工作电压：DC500V-900V，额定电量（单台）：5.716kWh。
（2）动力蓄电池：额定容量：59.5Ah，工作电压：448V～604.8V，额定电量总能量：30.6544kWh。
（3）双向DC/DC变换器：额定功率2×150kW，效率0.95。
混合供电高压主电路如图2所示。
2 混合动力系统控制策略
2.1 混合控制策略
2.1.1 牵引工况
混合供电通过超级电容优先供电，当超级电容低于门槛值（根据线路条件确定）时，双向DC/DC开通，钛酸锂蓄电池开始投入为车辆补充能量。
2.1.2 制动工况
车辆制动工况时，再生能量优先反馈至超级电容，超级电容电压高于门槛值（根据线路条件确定）时，双向DC/DC开通将再生能量同时反馈给动力蓄电池。
2.1.3 站台充电工况
停站充电时，双向DC/DC开通，地面充电机同时给超级电容和蓄电池充电。线路中间蓄电池按不大于30s充电，仅在终点站利用折返时间给蓄电池充满电。
2.1.4 等红绿灯工况或站台不充电工况
当车辆在十字路口等待红绿灯或车辆停站不充电时，双向DC/DC开通控制蓄电池为车辆辅助系统供电。
2.2 能量仿真计算
2.2.1 仿真条件说明
（1）仿真计算考虑超级电容组全寿命周期内20%的容量衰减，正常运行时储能电源最低放电电压为DC500V。2组超级电容组可用能量约为9.146kWh。
（2）动力电池按储存电量为30.65kWh，可用电量2452kWh，额定放电电流360A，额定输出功率约为180kW。
（3）整列车辅助功率约50kW。
2.2.2 仿真結果
根据上述条件，在1.2章节中的线路条件进行混合供电系统的能量仿真计算，以校核该电源配置的可行性，能耗仿真结果如图1，超级电容剩余能量仿真结果如图2。
由仿真结果可以看出，车辆按该混合供电系统方案，满足用户线路仅设置6个地面充电桩的要求。蓄电池投入时的门槛值建议为DC720V，车辆完成单程运行时蓄电池消耗能量约为18.67kWh，超级电容和蓄电池均有剩余能量，其中蓄电池剩余能量可以用于交通拥堵停车时间和红绿灯等待时间，具有较大余量。
对比3组超级电容供电方案，车辆不限速将无法满足线路仅设置6个充电桩要求，需至少新增1个充电桩或者全线路限速50km/h，且均无十字路口等红绿灯或交通拥堵时的能量冗余。3组超级电容限速50km/h的能量仿真计算结果如下：
3 结语
通过对混合动力系统的研究及用户线路的仿真计算，实现了混合动力系统储能增程的初步验证。该混合动力系统结合超级电容功率密度大和蓄电池能量密度大的特点，完全满足全线路无接触网有轨电车的动力性能和能量需求，并提升了用户线路成本、运行时效性。通过混合动力系统与低地板有轨电车的完美集成，符合有轨电车这一新型交通工具的“绿色环保”“环境友好”等特点，通过混合动力技术研究，以推广该种储能技术在有轨电车领域的广泛应用。
参考文献：
[1]CJ/T 417-2012《低地板有轨电车车辆通用技术条件》.
作者简介：王丹梅（1990— ），女，汉族，江西乐平人，本科，工程师，研究方向：城市轨道交通。
