基于動力電池的部分無接觸網(wǎng)供電技術(shù)

■ 綦芳 邵克成 王維

0 引言

低地板車是客運量介于地鐵和公交車之間的一種交通方式，以技術(shù)先進、環(huán)境污染小、節(jié)約能源、投資少且建設(shè)周期短等特點倍受關(guān)注，國內(nèi)已有多個城市規(guī)劃有軌電車線路。供電方案是有軌電車的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是業(yè)主在車輛選擇過程中的關(guān)注重點。

由于接觸網(wǎng)對于景觀的影響，國內(nèi)對于部分接觸網(wǎng)和無接觸網(wǎng)供電的需求越來越迫切[1]。隨著動力電池技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用于低地板車成為可能。介紹低地板車的供電技術(shù)，并以南京河西有軌電車1號線為例，探討供電方案的選擇及基于動力電池的部分無接觸網(wǎng)供電技術(shù)。

1 供電方案選擇

1.1 低地板車供電方式

供電技術(shù)按照不同的分類原則有不同的分類方法。根據(jù)供電能量是否來源于接觸網(wǎng)可分為3種：傳統(tǒng)的全線接觸網(wǎng)供電，部分區(qū)間有網(wǎng)、部分區(qū)間無網(wǎng)的部分無接觸網(wǎng)供電，全線無接觸網(wǎng)供電。根據(jù)能量來源可分為3種：接觸網(wǎng)供電、車載儲能裝置供電和非連續(xù)式供電。

（1）接觸網(wǎng)供電：架空接觸網(wǎng)供電是軌道交通車輛最常用、最成熟的供電方式之一[2]，可靠性高，對車輛性能沒有限制，但影響城市景觀。

（2）車載儲能裝置供電：主要包括動力電池供電方案、超級電容供電方案及動力電池與超級電容相結(jié)合的供電方案。超級電容充放電速度快、壽命長、功率密度大，但能量密度??；動力電池的能量密度高，體積小、質(zhì)量輕，但功率密度和壽命不及超級電容。

（3）非連續(xù)式供電：主要包括基于感應(yīng)供電原理的Primove系統(tǒng)、地面供電Tram Wave系統(tǒng)和基于無線電控制的APS系統(tǒng)[3]。這3種供電方式的共同特點是對景觀無影響。Primove系統(tǒng)是完全的無接觸式供電部件，無磨耗，但存在傳輸功率的限制，且效率低。第三軌和集電靴磨耗都非常高，維護成本高；在雨天或軌面積水情況下，車輛經(jīng)過時，Tram Wave系統(tǒng)存在短路或觸電的可能，APS系統(tǒng)則無法正常運行。

1.2 線路情況及方案選擇

南京河西有軌電車1號線位于河西新城，連接新城中、南部片區(qū)。起點位于地鐵2號線奧體東站區(qū)域，終點位于新河路中段。全長7.76 km，全線共設(shè)車站13座，平均站間距640 m。

河西新城是商務(wù)、商貿(mào)、文體三大功能為主的城市副中心，是2014年青奧會的主賽場，整個城區(qū)的線纜均設(shè)置在地下。河西新城的規(guī)劃和定位決定1號線不能采用全線接觸網(wǎng)的方案；線路緊鄰長江，存在被淹沒的風(fēng)險，采用APS和Tram Wave存在安全問題，且成本高，維護困難；Primove尚處于研究階段，因此決定采用車載儲能的供電方案。

低地板車對于車載儲能裝置的需求至少應(yīng)滿足以下幾個方面：

（1）安全。低地板車是公共交通工具，若發(fā)生安全事故將帶來嚴重影響，因此首先要滿足安全的要求。

（2）功率。在站間無接觸網(wǎng)區(qū)段，整列車的動力都來源于動力電池，因此功率必須能滿足整列車的功率需求。

（3）能量。至少要滿足一站或幾站，并留有裕量以滿足堵車、十字路口停車、因變電站故障無法充電等意外情況的能耗需求。

（4）體積和質(zhì)量。低地板車的設(shè)備均位于車頂，安裝儲能裝置的空間有限；因為軸重的限制，對質(zhì)量有苛刻的要求，因此對儲能裝置的功率和能量密度都有很高的要求。

（5）壽命。儲能裝置的壽命直接決定了其全壽命周期成本，業(yè)主要求壽命達到6年。

基于當時的技術(shù)發(fā)展，超級電容的能量密度太小，無法滿足車輛對于體積和質(zhì)量的要求；超級電容和動力電池相結(jié)合的方案控制復(fù)雜、成本高，因此選擇了動力電池作為車載儲能裝置。

2 車輛概況

2.1 編組

車輛編組方式見圖1。車輛采用模塊化組裝，包含5個基本模塊，其中1個轉(zhuǎn)向架模塊，2個轉(zhuǎn)向架模塊加司機室模塊，2個懸浮的客室模塊，互相之間用鉸接裝置相連，形成一列車。整車包含3個轉(zhuǎn)向架，中間為拖車轉(zhuǎn)向架，兩端為動車轉(zhuǎn)向架。

2.2 牽引制動性能

電氣牽引系統(tǒng)為變壓變頻的交流傳動系統(tǒng)，供電電壓為DC 750 V。車輛的牽引制動特性見圖2。

2.3 牽引系統(tǒng)配置

每輛車配置一架受電弓，設(shè)置在BM3模塊，用于在有接觸網(wǎng)的區(qū)段給車輛供電并給動力電池充電。牽引變流器和輔助變流器的前端分別設(shè)置了熔斷器進行短路保護，避雷器防止系統(tǒng)由于閃電或牽引變電站故障所造成的過壓。

車輛配置2臺牽引逆變器、2臺制動電阻及冷卻單元、2臺輔助逆變器、4臺牽引電機和6個接地回流裝置。牽引變流器采用雙重逆變器模塊，每個牽引逆變模塊控制一臺電機，內(nèi)部集成了雙向DC/DC模塊，對動力電池進行充放電。車輛主回路見圖3。

3 具體供電方案

3.1 站臺設(shè)置

基于動力電池的性能和停站時間的限制，僅靠停站時間無法補充足夠的能量，無法滿足能量的平衡，因此采用了動力電池和站臺接觸網(wǎng)相結(jié)合的供電方案。站臺區(qū)域設(shè)接觸網(wǎng)，每站設(shè)置90 m，沿站臺中心對稱分布（見圖4）。站間無接觸網(wǎng)，對城市景觀無影響。在有接觸網(wǎng)區(qū)域（列車進站、停站及加速階段）給動力電池充電，在站間無接觸網(wǎng)的區(qū)域由動力電池為列車提供電能。

3.2 動力電池系統(tǒng)配置

圖1 車輛編組

圖2 牽引制動特性曲線

圖3 車輛主回路

動力電池的具體配置受以下因素影響：（1）車輛性能，主要是車輛在無接觸網(wǎng)運行模式下的加速度和最大功率；（2）線路條件，主要是平均站間距和坡道；（3）輔助設(shè)備的功率。綜合以上幾方面，南京河西有軌電車1號線的動力電池選用能量密度和功率密度已優(yōu)化的動力電池，具體參數(shù)見表1（每輛車配置2組動力電池，表中數(shù)據(jù)為1組電池的參數(shù)）。該電池單位體積質(zhì)量存儲的能量大，體積小、質(zhì)量輕，滿足低地板車的應(yīng)用要求，適用于中長距離無接觸網(wǎng)的線路應(yīng)用。

圖4 供電方案示意

表1 動力電池性能參數(shù)

3.3 充放電控制

在站間無接觸網(wǎng)的區(qū)段由動力電池供電，南京河西有軌電車1號線站間動力電池的能耗都在5 kW·h以內(nèi)，采用站站補充能量的方案，在每站電制動期間、停站時間通過接觸網(wǎng)受電弓對牽引蓄電池進行充電；在出站加速的有網(wǎng)區(qū)段，通過受電弓對車輛進行供電的同時給動力電池進行充電。這樣，每站消耗的能量可以得到及時補充，車輛一直處于類似于初始的狀態(tài)，對持續(xù)運行的時間沒有限制。電池充放電狀態(tài)曲線見圖5。

3.4 冷卻系統(tǒng)

南京有軌電車1號線動力電池采用液冷的方案，保證精確的溫度控制，使電池工作在最佳的溫度范圍。在正常溫度范圍內(nèi)，動力電池可以滿功率地充放電，超過一定溫度，開始限制電池的功率，達到更高的設(shè)定值則停止運營。

圖5 電池充放電狀態(tài)曲線

4 需求驗證

4.1 安全性

動力電池的設(shè)計考慮了動態(tài)的安全因素（如溫度和電壓），以保證安全運行。單元和模塊符合歐洲標準，同時系統(tǒng)考慮了以下幾種保護措施。

（1）冗余保護結(jié)構(gòu)。由電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)整體的控制、監(jiān)測及與外部的通信；同時設(shè)置安全控制單元，實現(xiàn)了監(jiān)控冗余。

（2）過壓和欠壓保護。避免過壓或由于深度放電而損壞部件，每個電池單元設(shè)置電壓測量單元，實現(xiàn)單體電壓的測量，并通過電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)過壓和欠壓保護。

（3）過流保護。安全控制單元回路設(shè)置電流傳感器來測量電流，實現(xiàn)過流保護；系統(tǒng)設(shè)置主接觸器，在過流情況下電池管理系統(tǒng)可控制其斷開。在充電和放電過程中，電池管理系統(tǒng)不斷計算和實施電流限制，牽引變流器通過持續(xù)監(jiān)控電池管理系統(tǒng)的電流限制來避免過流；通過線路熔斷器和電芯所帶的熔斷器，實現(xiàn)被動過流保護或短路保護。

（4）過溫保護。每個模塊設(shè)有多個溫度傳感器保證溫度測量，通過電池管理系統(tǒng)和安全控制單元實現(xiàn)過溫保護。

4.2 功率

由車輛的牽引特性可知，車輛的最大牽引功率為611 kW，2組動力電池的最大放電功率為720 kW，滿足車輛對儲能裝置功率的需求。

4.3 能量

目前，無論是電動汽車還是電動巴士，通常的做法是車載存儲裝置配置可運行一天的能量，如果有軌電車按照此種模式，以南京河西有軌電車1號線為例，每天運行17 h，每小時運營一個往返，每個往返消耗120 kW·h能量，則至少需配置2 040 kW·h，體積和質(zhì)量無法承受。采用每站能量平衡的方案，車載的儲能需求可以大大降低，98 kW·h的能量就可完全滿足需求。

4.4 體積和質(zhì)量

每組動力電池及其冷卻系統(tǒng)的體積為1 800 mm×950 mm×600 mm，質(zhì)量為840 kg，可以滿足車輛對于儲能裝置空間和質(zhì)量的要求。

4.5 壽命

影響動力電池壽命的主要因素為以下幾個方面：

（1）電芯的工作溫度。采用液冷方式并配置溫度控制單元，保證電芯工作在合適的溫度范圍。

（2）電池的充電狀態(tài)（SOC）。電池的初始容量選擇了50%，且消耗的能量可以得到及時的補充，因此一直處于可滿功率放電的狀態(tài)。

（3）電芯休息時溫度。電池組設(shè)置了保溫功能，若長時間停放可使電池處于一個比較好的溫度范圍內(nèi)。

（4）充放電深度（DOD）。對蓄電池壽命周期影響最強大的一個因素就是充放電深度，鋰電池深度充放電壽命一般是幾千次，南京河西有軌電車1號線所選擇的動力電池放電深度為80%時的壽命為5 600次。本項目動力電池在運行過程中充放電的深度較小，由圖5可以看出放電深度在5%以內(nèi)，工作在淺充放的狀態(tài)。電池供應(yīng)商經(jīng)過理論分析及試驗驗證證明：動力電池在淺充放的狀態(tài)下整個壽命周期可放出的容量約是深充放情況下的10倍左右。

南京河西有軌電車1號線車輛每年運行300 d，每天運行17 h，每小時運營一個往返，每個往返放電24次，每年動力電池的充放電次數(shù)為300×17×24=122 400次。

深充放電池整個壽命周期內(nèi)可放出的能量為98×80%×5 600=439 040 kW·h，淺充放電池整個壽命周期內(nèi)可以放出的能量約為4 390 400 kW·h。電池的壽命為4 390 400/5/122 400=7.17年。

因此，南京河西有軌電車1號線項目的動力電池壽命可以達到7年，滿足壽命的需求。

4.6 意外停車

電池的初始容量為50%，正常情況下一站消耗的電能為5%左右，約5 kW·h。兩站不充電，所需能量為15 kW·h；意外停車10 min，空調(diào)全載2 min，按照70 kW計算，空調(diào)半載8 min，按40 kW計算，70×120/3 600+40×480/3 600=2.3+5.3=7.6 kW·h；意外停車啟動3次（每次能耗2 kW·h），所需能量為6 kW·h。

即使以上幾種意外情況同時發(fā)生，所需的能量為15+7.6+6=28.6 kW·h，所配置的動力電池依然可以滿足能量的需求。因此，動力電池的方案不僅能滿足正常運營的要求，也能夠解決意外停車的情況。

5 結(jié)束語

無接觸網(wǎng)供電技術(shù)是低地板車輛領(lǐng)域新興的技術(shù)，是很有發(fā)展前景的技術(shù)。目前動力電池的發(fā)展水平可實現(xiàn)部分無接觸網(wǎng)供電，但對于全線無接觸網(wǎng)供電還有一定困難，實際運營效果也有待正式運營的檢驗。如果動力電池的功率密度進一步提高，壽命進一步改善，動力電池在低地板車輛無接觸網(wǎng)供電技術(shù)上的應(yīng)用將具有更加廣闊的前景。

[1] 李娜，陳小洪，雄文. 考慮用戶偏好的有軌電車景觀研究[J]. 城市交通，2009(9)：72-77，20.

[2] 沈繼強. 現(xiàn)代有軌電車車輛選型和供電方式[J]. 中國市政工程，2012(5)：68-71，75.

[3] 柴適. 有軌電車供電新技術(shù)[J]. 城市公共事業(yè)，2011(4)：53-54.