一種有軌電車超級電容儲能牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙 芳

(上海市公用事業(yè)學(xué)校 軌道交通系，上海 200030)

在大城市，有軌電車作為骨干交通的補(bǔ)充，承擔(dān)城市軌道交通加密、補(bǔ)充和延伸的功能；當(dāng)公交線路客流量達(dá)到0.8～1.5萬人次/h需求的時(shí)候，常規(guī)公交系統(tǒng)已經(jīng)無法承擔(dān)，現(xiàn)代有軌電車恰好能夠滿足需求，非常適合中小城市主要交通運(yùn)輸任務(wù)，也適合作為大型城市郊區(qū)輔助的交通工具。現(xiàn)代有軌電車建設(shè)周期短、造價(jià)低，能快速形成交通規(guī)模，正常地鐵和輕軌一般建設(shè)周期為3～5 a，有軌電車建設(shè)周期1～1.5 a左右，造價(jià)為地鐵的1/5～1/3，輕軌的1/3～1/2?，F(xiàn)代有軌電車正在逐漸成為全世界公共交通的生力軍，其基礎(chǔ)設(shè)施、裝備制造、運(yùn)輸管理和客運(yùn)服務(wù)等系統(tǒng)日趨成熟。

國內(nèi)外有軌電車典型的供電方式有3種：全線接觸網(wǎng)、地面三軌和接觸網(wǎng)加能量型超級電容混合供電。其中,接觸網(wǎng)加能量型超級電容混合供電，可以根據(jù)線路的實(shí)際需求靈活選擇，充分發(fā)揮有網(wǎng)供電和無網(wǎng)供電的優(yōu)點(diǎn)；在景觀要求不高，無特殊條件限制的路段使用接觸網(wǎng)供電；在景觀要求高，有特殊條件限制的路段使用儲能電池供電。在有網(wǎng)段運(yùn)營時(shí)，接觸網(wǎng)既給車輛提供正常用電，同時(shí)也給儲能裝置充電，降低充電站的建設(shè)成本；儲能裝置容量足夠時(shí)，還可為車輛供電提供雙重保障，萬一某有網(wǎng)區(qū)段或某些非相鄰站點(diǎn)供電出現(xiàn)故障，不會影響車輛的正常運(yùn)營，可通過車輛儲能裝置給車輛提供應(yīng)急用電。由于儲能電容適合快速充放電，能在短時(shí)間內(nèi)提供較大能量，等于放大供電能力，特別適合頻繁啟制動(dòng)，沖擊性負(fù)荷的軌道交通機(jī)車供電系統(tǒng)，可以有效緩和機(jī)車啟動(dòng)對供電系統(tǒng)的負(fù)荷沖擊，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

車載儲能供電的核心部件是電池元件。目前,主流的電池元件包括鋰電池和超級電容，超級電容是一種新型高性能儲能器件，是介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的電源，特別適合用于短時(shí)間高功率輸出、快速充電和能量回收等場合，超級電容因特有的性能優(yōu)勢非常適合用于軌道交通、電動(dòng)公交車和有軌電車的應(yīng)用工況，近年來得到大量的關(guān)注，發(fā)展迅速。

本文采用的設(shè)計(jì)方案是接觸網(wǎng)與能量型超級電容混合供電，運(yùn)行成本低，可靠性高，符合儲能牽引的發(fā)展方向。

1 超級電容儲能牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型高能超級電容器能量密度已大大提高，達(dá)到45 Wh/kg左右，是一種適用于有軌電車、輕軌和高鐵的高性能儲能產(chǎn)品，超級電容系統(tǒng)可以回收列車制動(dòng)能量用于輔助列車加速，在沒有架空線系統(tǒng)的路段為列車提供電力，還可以作為穩(wěn)壓系統(tǒng)為列車提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。

本文設(shè)計(jì)的超級電容儲能系統(tǒng)由多個(gè)超級電容組組成，每個(gè)超級電容組包含若干超級電容模塊、超級電容管理模塊、隔離開關(guān)、熔斷器、主接觸器、預(yù)充電接觸器和預(yù)充電電阻、傳感器和控制部件等。每組超級電容配置一臺熱管理單元，為超級電容提供溫度控制，使其工作在合適的溫度范圍，保證車輛的安全，同時(shí)保證電容器的性能和壽命。

1.1 系統(tǒng)功能

有軌電車超級電容電能管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)具備如下基本功能：實(shí)時(shí)計(jì)算電池剩余電量、管理超級電容的充放電及充放電過程中的防護(hù)、電池電壓的均衡控制、管理電池的熱平衡等。

(1) 剩余電量(State of Charge,SOC)計(jì)算： BMS系統(tǒng)要實(shí)時(shí)計(jì)算電池的剩余電量SOC，SOC代表的是電池使用一段時(shí)間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。

(2) 充放電及防護(hù)：車載動(dòng)力超級電容組一般電壓較高，安全防護(hù)非常重要，電壓安全標(biāo)準(zhǔn)是ISO26262.電容組防護(hù)的主要功能是監(jiān)測動(dòng)力電池的電壓、電流、隔離電阻和高壓互鎖等。根據(jù)超級電容的特性，其最佳工作的SOC范圍大約是10%～90%(根據(jù)具體的超級電容電池的性能來定)，當(dāng)SOC值低于10%時(shí)，將禁止電池繼續(xù)放電；當(dāng)SOC值高于90%的時(shí)候，將禁止給電池繼續(xù)充電。動(dòng)力電池電流限制需要考慮的因素包括溫度、最大最小的單體電壓和SOC值等。

(3) 熱管理：溫度對超級電容的工作特性有影響，超級電容的溫度不能過高，也不能過低，所以,要用熱管理模塊把電池的溫度控制在適宜的范圍內(nèi)。BMS要控制風(fēng)扇降溫裝置及加熱器裝置來控制系統(tǒng)的熱平衡。

(4) 均衡處理：電池均衡處理能夠保證不同超級電容單體之間的電荷狀態(tài)達(dá)到一致，避免單個(gè)超級電容電池在充電時(shí)被過沖、放電時(shí)被過放，充分均衡過程能使電池組儲能電容量達(dá)到最大。圖1是均衡處理電壓的示意圖，只有在多個(gè)電池電荷均衡的情況下，才能達(dá)到同時(shí)充放電。

圖1 超級電容單體電壓均衡處理電壓示意圖

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

超級電容儲能系統(tǒng)如圖2所示，由直流電源、BMS主控制器、BMS子控制器、傳感器、執(zhí)行器和多個(gè)超級電容組構(gòu)成。

圖2 超級電容儲能系統(tǒng)框圖

BMS主控制器同充電機(jī)交互信息，當(dāng)接收到充電機(jī)的充電開始信息后，BMS主控制器控制接觸器閉合，接受外面的充電電源開始充電，同時(shí)傳感器監(jiān)測充電的電流、電源以及超級電容的溫度信息并上報(bào)給BMS主控制器，BMS子控制器在充電的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測超級電容電池的電壓狀況并上報(bào)給BMS主控制器，BMS子控制器監(jiān)控電池單體電壓差并實(shí)時(shí)啟動(dòng)均衡控制。人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示主控制器的工作狀態(tài)，并根據(jù)情況隨時(shí)報(bào)警。如果收到充電結(jié)束的信息，主控制器斷開接觸器，結(jié)束充電過程。在車輛運(yùn)行的過程中，傳感器一直監(jiān)控超級電容組的溫度，BMS一直在計(jì)算超級電容組的SOC并上報(bào)主控制器,主控制器根據(jù)狀況實(shí)時(shí)介入控制，防止出現(xiàn)過溫和電池過放電的情況出現(xiàn)。

1.2.1 BMS主控制器 BMS主控制器是儲能牽引系統(tǒng)的核心控制器，協(xié)調(diào)控制多個(gè)BMS子控制器實(shí)現(xiàn)超級電容電池組的充放電控制，采集電池組的溫度，采集整體充放電電流，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)降溫，同整車控制器進(jìn)行通信傳輸電池狀態(tài)信息。

主控制器由單片機(jī)構(gòu)成，有1個(gè)RS-485口、2路CAN口、模擬量輸入口及多路數(shù)字量輸入輸出口。RS-485口接觸摸屏，1路CAN用于同充電機(jī)通信，另1路CAN用于同多個(gè)子控制器通信。

BMS主控制器軟件設(shè)計(jì)。主控制器通過子控制器實(shí)時(shí)采集整體超級電容組的充放電電流和電壓，實(shí)現(xiàn)超級電容組的充放電控制，并自動(dòng)均衡各超級電容單體之間的電壓差；實(shí)時(shí)采集電池組的溫度，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)降溫；通過CAN總線同整車控制器進(jìn)行通信傳輸電池狀態(tài)信息；同充電機(jī)進(jìn)行信息交互。主控制器工作的軟件流程如圖3所示。

圖3 超級電容管理系統(tǒng)主控制器軟件工作流程圖

1.2.2 BMS子控制器 BMS子控制器實(shí)現(xiàn)對多個(gè)超級電容單體的電壓采集，將電池狀態(tài)信息傳送給主控制器，同時(shí)接受主控制器的控制命令，實(shí)現(xiàn)超級電容電池組的均衡控制。子控制器硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 超級電容管理系統(tǒng)子控制器框圖

子控制器軟件設(shè)計(jì)。子控制器的工作主要是實(shí)時(shí)采集電池組的電壓和電流，對各個(gè)超級電容單體進(jìn)行均衡控制，其均衡命令來自于主控制器。

子控制器的主要工作流程：子控制器上電后，不管是在充電還是在放電的過程中，一直會定時(shí)采樣每組電容器的電壓，并不斷把該數(shù)據(jù)送到主控制器，由主控制器判斷是否需要均衡。如果接收到主控制器發(fā)送的均衡命令，則打開芯片的均衡控制開關(guān)，對需要均衡的超級電容單體進(jìn)行放電；如果接收到主控制器的停止均衡命令則停止均衡。

2 系統(tǒng)仿真

超級電容儲能牽引系統(tǒng)的單個(gè)電容組的充放電能力達(dá)到400 A，牽引功率達(dá)到260 kW以上，當(dāng)使用4組超級電容組進(jìn)行有軌電車的牽引時(shí)，牽引功率達(dá)到1 040 kW以上，完全能滿足有軌電車牽引動(dòng)力的需求。

建立超級電容器儲能牽引系統(tǒng)模型，主要研究牽引網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)與超級電容儲能系統(tǒng)的存儲、釋放能力對有軌電車牽引動(dòng)力適配的效果。通過軟件仿真研究滿負(fù)載下超級電容能量存儲系統(tǒng)工作的電壓與電流輸出是否正常，多次循環(huán)充放電以后超級電容單體壽命是否可行，模擬研究超級電容儲能系統(tǒng)用于有軌電車動(dòng)力系統(tǒng)長期工作時(shí)的可靠性。

在滿負(fù)載情形下進(jìn)行模擬運(yùn)行分析，充放電仿真曲線圖如圖5所示。

圖5 牽引電流電壓模擬測試結(jié)果(滿載)

由上圖分析可見，在滿負(fù)載的情況下，最大充放電電流達(dá)到200 A的情況下，電壓電流特性正常，動(dòng)力滿足需求。

由圖6分析可見，在3 979次充放電以后，超級電容儲能總量下降了1.25%，等效電容下降了1%,等效電阻下降了14.63%，經(jīng)過多次放電，超級電容單體仍然能正常工作，性能特性下降很小。

圖6 模擬循環(huán)壽命測試結(jié)果(滿載)

因此，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了超級電容儲能牽引系統(tǒng)作為電力儲能完全能滿足牽引的需求。

3 現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的超級電容器儲能牽引系統(tǒng)在我國南方某城市的有軌電車進(jìn)行了現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)。現(xiàn)場有軌電車單程有6個(gè)充電站，需要進(jìn)行6次充放電，充電電流最大為200 A。在滿載和空載的情況下，分別通過30次全程往返試驗(yàn)，共運(yùn)行360次充放電試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超級電容儲能總量下降不超過0.1%，電容儲能量下降非常小，同前期系統(tǒng)建模的滿載下電容的牽引電流電壓模擬模型及電容循環(huán)壽命模型的仿真運(yùn)行情況基本相符。造成模型不能完全反映真實(shí)情況，影響較大的因素是天氣溫度，在高溫滿載的情況下，電容的容量下降，電容放電有變快的趨勢。

4 結(jié) 語

本文從超級電容儲能牽引系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套可行的超級電容儲能牽引系統(tǒng)的技術(shù)方案，并進(jìn)行仿真計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了本方案的可行性，也充分說明超級電容儲能牽引系統(tǒng)作為電力儲能完全能滿足有軌電車牽引系統(tǒng)的需求。