100%低地板現(xiàn)代有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)研究

孫樹鑫 劉 斌 劉曉亮 張 杰

（1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063000；2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035）

1 概述

在我國(guó)，帶有超級(jí)電容的混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用較少，目前還處在起步階段，近年來在公共交通特別是城市有軌電車中逐漸被應(yīng)用，但要使其高效、充分發(fā)揮效能，仍需要長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)摸索和研究，首先我們要加深對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)了解，通過實(shí)驗(yàn)有效控制其充放電參數(shù)，進(jìn)而改變其性能，最終達(dá)到雙向電源（即斬波器）與蓄電池及超級(jí)電容的最優(yōu)匹配。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)組成及工作原理

現(xiàn)代城市有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由雙向DC/DC變換器，超級(jí)電容和蓄電池組成。

混合動(dòng)力系統(tǒng)為雙向DC/DC電源系統(tǒng)，當(dāng)車輛正常運(yùn)行時(shí)，雙向斬波器將DC750V網(wǎng)壓轉(zhuǎn)換成兩路DC480V分別給蓄電池、超級(jí)電容充電，當(dāng)通過無電區(qū)時(shí)，系統(tǒng)可以將超級(jí)電容、蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成DC750V的電壓回饋車輛牽引及輔助供電系統(tǒng)。由超級(jí)電容與蓄電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，使蓄電池比能量大和超級(jí)電容器比功率大的特點(diǎn)相結(jié)合，無疑大大提高了電力儲(chǔ)能裝置的性能。超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)使用，可以增強(qiáng)混合電源的負(fù)載適應(yīng)能力，特別是對(duì)于大功率脈動(dòng)負(fù)載，超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)混合使用，能夠降低蓄電池的內(nèi)部損耗、延長(zhǎng)其放電時(shí)間、增加使用壽命，超級(jí)電容的存在還可以縮小電源的體積、改善可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2.1 DC/DC雙向變換器

DC/DC雙向變換器有兩種工作模式，即正向工作模式和反向工作模式，當(dāng)電能正向傳輸時(shí)，變換器將DC750V的網(wǎng)壓降到DC480V，為混合動(dòng)力系統(tǒng)蓄電池及超級(jí)電容充電；當(dāng)能量反向傳輸時(shí)，變換器將混合動(dòng)力系統(tǒng)DC480V的升到DC750V，將電能回饋給車輛牽引及輔助系統(tǒng)，保證車輛正常運(yùn)行。

2.2 蓄電池

混合動(dòng)力系統(tǒng)用蓄電池選用鋰電池，鋰電池具有較高的能量密度，耐充放電，自放電率低、無記憶效應(yīng)、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)鋰電池又具備高功率承受能力，便于車輛平時(shí)的高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速。

2.3 超級(jí)電容

盡管混合動(dòng)力系統(tǒng)采用了鋰離子電池組作為車輛通過無電區(qū)域的動(dòng)力電源，但是有軌電車牽引系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度和功率密度要求較高，如果單獨(dú)采用蓄電池組不能滿足車輛在這兩方面的要求。

同時(shí)，在車輛啟動(dòng)、加速時(shí)，電池要經(jīng)常遭受大放電電流的沖擊，電池壽命將因此急劇衰減，如果頻繁更換蓄電池，這對(duì)成本控制也是一個(gè)極大的考驗(yàn)。

另外，蓄電池所需充電時(shí)間較長(zhǎng)，車輛在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量不能及時(shí)有效的回收，也是單一使用蓄電池組所存在的重大缺點(diǎn)。

超級(jí)電容與鋰離子蓄電池聯(lián)用作為車輛的動(dòng)力系統(tǒng)，在車輛正常行駛過程中，超級(jí)電容提供車輛需要的峰值功率。與此同時(shí)，通過DC/DC變換器控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能回收。

另外，超級(jí)電容還通過控制系統(tǒng)從蓄電池系統(tǒng)快速充電，并為車輛下一次對(duì)峰值功率要求做好準(zhǔn)備。因此，可以看出，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，超級(jí)電容的存在減少了蓄電池的功率負(fù)荷，避免了大電流沖擊蓄電池，延長(zhǎng)了蓄電池壽命。

3 充放電實(shí)驗(yàn)

圖1 蓄電池組充放電實(shí)驗(yàn)曲線

蓄電池：采用DC750V電源箱為混合動(dòng)力系統(tǒng)供電，保持蓄電池充電電流80A，如上圖1實(shí)驗(yàn)曲線所示，經(jīng)過32min蓄電池箱充電完成，此時(shí)蓄電池組電壓接近510V；此時(shí)送入牽引信號(hào)，負(fù)載采用水阻，啟動(dòng)混合動(dòng)力電源箱蓄電池DC/DC，調(diào)節(jié)V1端的電壓為DC750V，將蓄電池端的電流加到120A持續(xù)運(yùn)行，蓄電池組能夠持續(xù)放電22mim以上。

超級(jí)電容：采用相同電源箱對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，充電電流300A，經(jīng)過34s，如上圖2實(shí)驗(yàn)曲線所示，超級(jí)電容達(dá)到額定電壓450V；送入牽引信號(hào)，采用水阻，保持V1端的電壓為DC750V，將超級(jí)電容端的電流加到700A持續(xù)運(yùn)行，超級(jí)電容持續(xù)放電25秒以上。

圖2 超級(jí)電容充放電實(shí)驗(yàn)曲線

由以上兩個(gè)充放電曲線可以看出，蓄電池充電完成瞬間比超級(jí)電容充電完成瞬間電壓壓升大很多，主要原因在于蓄電池等效電阻較超級(jí)電容大很多，減小等效電阻阻值，有利于提高端電壓的工作效率。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過系統(tǒng)充放電試驗(yàn)，證明現(xiàn)代城市有軌電車所采用的混合動(dòng)力系統(tǒng)，蓄電池組儲(chǔ)存能量基本能夠保證車輛順利經(jīng)過指定長(zhǎng)度無電區(qū)；系統(tǒng)超級(jí)電容對(duì)于車輛制動(dòng)能量的吸收及時(shí)可靠，保證了車輛啟動(dòng)瞬間能夠提供足夠的大功率電能；系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代城市有軌電車的性能要求。

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