有軌電車車載儲能系統(tǒng)研究*

□ 張 驕 □ 李宇杰 □ 王 璐 □ 馬 亮 □ 李 彬

1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司 北京 100044 2.北京交通大學(xué)長三角研究院 江蘇鎮(zhèn)江 212009

1 車載儲能系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前及未來一段時間內(nèi),交通領(lǐng)域的儲能方式主要有電池儲能、超級電容儲能和飛輪儲能。就車載儲能而言,飛輪儲能技術(shù)目前還不夠成熟,安全性及回轉(zhuǎn)力的問題嚴(yán)重制約了飛輪儲能技術(shù)在車輛上的應(yīng)用[1-3]。電池儲能存在不能回收再生制動能量的不足,需要在車輛上安裝專門的儲氫罐，并且要在車輛段建設(shè)充氫站。由此,現(xiàn)有的有軌電車車載儲能方式常采用電池儲能和超級電容儲能。

電池儲能在電動汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用較早。豐田普銳斯混合動力汽車一直采用鎳氫電池作為儲能元件，但是鎳氫電池具有記憶效應(yīng),即電池在循環(huán)充放電過程中容量會出現(xiàn)衰減,而過度充電或放電,則可能加劇電池的容量損耗。由于鋰電池的此項(xiàng)特性幾乎可以忽略不計(jì),因此第四代普銳斯高配版混合動力汽車改用鋰電池作為儲能元件。相對于鎳氫電池儲能,采用鋰電池儲能，能量密度和功率密度都較高，優(yōu)越性明顯。特斯拉 Model S選擇能量密度較高的鈷酸鋰電池作為儲能元件,比亞迪則多采用安全性能更好的磷酸鐵鋰電池儲能。鈦酸鋰電池雖然能量密度相對較低,但是由于充放電倍率對稱,且循環(huán)壽命長,可以回收更多再生制動能量,因此多用于運(yùn)行工況較為固定的城市交通領(lǐng)域,如重慶公交系統(tǒng)在電動大巴上就采用鈦酸鋰電池作為儲能元件。

有軌電車的車載儲能各不相同。在國內(nèi)線路中,南京河西線全線無接觸網(wǎng),采用鈷酸鋰電池儲能,進(jìn)站充電,電池荷電狀態(tài)波動較小。江蘇淮安線和廣東廣州海珠線同樣為全線無接觸網(wǎng),采用超級電容為有軌電車提供能量,進(jìn)站充電。遼寧沈陽渾南有軌電車在路面架設(shè)接觸網(wǎng),在長度為800 m的無接觸網(wǎng)區(qū)采用超級電容供電技術(shù)。國外線路中,法國尼斯有軌電車采用架空接觸網(wǎng)供電,在市中心廣場短距離無接觸網(wǎng)區(qū)采用車載蓄電池供電。日本川崎重工雙動力Swimo型有軌電車通過接觸網(wǎng)和鎳氫電池供電,在無接觸網(wǎng)區(qū)可獨(dú)立驅(qū)動行駛10 km[3]。

2 車載儲能系統(tǒng)容量配置

有軌電車容量配置的本質(zhì)是使車載混合儲能系統(tǒng)滿足負(fù)載功率需求，以及車輛軸重、空間的制約。通過改變儲能元件的輸入,經(jīng)容量配置算法,可以驗(yàn)證是否滿足負(fù)載功率需求。車載混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行容量配置,需要預(yù)先確定系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載功率與能量管理策略。

目前，針對有軌電車車載混合儲能系統(tǒng)容量配置的問題,國內(nèi)外學(xué)者將質(zhì)量、體積及運(yùn)行成本都作為重點(diǎn)考慮的因素[4-5]。由于電池與電容在能量密度、功率密度等參數(shù)方面有很大不同,造成車載混合儲能系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、初期投入、運(yùn)行損耗等相互制約，若是只對其中的某一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,則不能滿足實(shí)際使用的需求[6]。

以基于電池功率閾值的能量管理策略為例,假設(shè)超級電容直接與母線相接,設(shè)定電池充放電功率閾值,負(fù)載功率在閾值內(nèi)由電池提供電能,兩端超出的尖峰部分由超級電容提供電能。此時,配置的電池功率應(yīng)大于電池充放電功率閾值,電池能量Ebat應(yīng)滿足列車運(yùn)行到下次電池充電時,即：

(1)

式中：pbat_ch、pbat_dis分別為電池充電功率閾值和電池放電功率閾值；k為時間常數(shù)。

超級電容放電功率psc_dis為：

(2)

式中:ptram為負(fù)載功率,ηDC為電池兩端直流-直流變換器的效率。

充電功率psc_ch為：

(3)

此時,配置的超級電容額定功率應(yīng)大于超級電容充電功率的最大值。超級電容額定容量Esc應(yīng)滿足：

(4)

可見,車載混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置問題是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題,多目標(biāo)優(yōu)化問題的求解分為多目標(biāo)加權(quán)優(yōu)化與多目標(biāo)帕累托集求解。對于車載混合儲能系統(tǒng)的容量配置過程而言,不能簡單設(shè)定某一個優(yōu)化目標(biāo)比其它目標(biāo)更重要。

3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

有軌電車車載儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是研究能量管理的前提,對于有軌電車車載儲能系統(tǒng)而言,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直接影響儲能裝置的控制方式。按照直流-直流變換器的數(shù)量,可分為直接并聯(lián)拓?fù)洹㈦姵睾统夒娙莞鲙е绷?直流變換器并聯(lián)拓?fù)?、電池通過直流-直流變換器并聯(lián)拓?fù)?、超級電容通過直流-直流變換器并聯(lián)拓?fù)渌姆N[7]。四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

直接并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)效率高，響應(yīng)速度快，但儲能系統(tǒng)的容量不能被完全利用。電流在兩種儲能元件之間自動分配,分流的大小取決于各自的內(nèi)阻,因此每種儲能元件的功率無法控制。此外,

▲圖1 有軌電車車載儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

超級電容的電壓與電池電壓相同,也都不受控,其變化取決于電池荷電狀態(tài),這就限制了超級電容的最優(yōu)化,也限制了超級電容單元的選擇。為達(dá)到相同的電壓,需要串聯(lián)更多的超級電容單元。這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于直流母線電壓變化范圍不大、電池沒有嚴(yán)格充放電要求的場合。

對于電池和超級電容各帶直流-直流變換器的并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流-直流變換器具有變流、調(diào)壓的功能,可以用于連接端電壓不同的兩種儲能元件，并進(jìn)行控制，同時可以維持直流母線電壓恒定,延長儲能元件的使用壽命。因?yàn)殡姵睾统夒娙菥梢陨疃确烹?，所以儲能可以充分被利用。與直接并聯(lián)相比,使用直流-直流變換器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，會使儲能元件產(chǎn)生功率損耗，使系統(tǒng)成本增加，效率降低。因此,采用這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需考慮技術(shù)優(yōu)勢和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本增加之間的矛盾關(guān)系[8]。

采用電池通過直流-直流變換器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電池功率可控,電池的充放電電流平緩,并可延長電池的壽命周期。超級電容需要許多單元串聯(lián)，以獲得較高的母線電壓。在脈沖負(fù)荷電流區(qū)間,超級電容的端電壓會下降。如果相連的逆變器需要一個穩(wěn)定或正常工作的最小電壓以生成正確的交流側(cè)電壓,那么超級電容端電壓下降太多會使儲能系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此必須將直流電壓控制在合適的范圍內(nèi)。

超級電容通過直流-直流變換器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，超級電容存儲的能量能夠充分被利用,但缺點(diǎn)是電池功率不可控,造成充放電電流不穩(wěn)定。直流母線電壓的大小取決于電池的荷電狀態(tài)變化,而電池荷電狀態(tài)的變化不能直接控制,只能維持在一個給定的范圍內(nèi),因此儲能系統(tǒng)的運(yùn)行受到限制。

有軌電車車載儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇取決于不同因素,如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)成本等,在不同的應(yīng)用背景下，必須進(jìn)行全面分析，以得到最佳方案。

4 能量管理策略

有軌電車在經(jīng)濟(jì)性改進(jìn)和運(yùn)行優(yōu)化等方面強(qiáng)烈依賴于能量管理策略。無論車輛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何,控制策略的主要目標(biāo)都是通過管理來自不同能量存儲元件的功率流來滿足列車行駛的功率需求,以優(yōu)化特定的目標(biāo)，同時滿足其它約束條件,如儲能元件荷電狀態(tài)、壽命等。近年來,專家學(xué)者們從各個角度深入研究能量管理策略的優(yōu)化控制算法,按實(shí)時性原則，將能量管理策略分為在線策略與離線策略兩種[9]。

常用的在線能量管理策略有基于規(guī)則的固定閾值管理策略、濾波功率分配策略、基于模糊控制規(guī)則的能量管理策略等，這些策略的共同特點(diǎn)是規(guī)則簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但動態(tài)性較差，不能根據(jù)需求隨時調(diào)整。離線能量管理策略有基于動態(tài)規(guī)劃的能量管理策略,雖然能夠得到全局最優(yōu)解,但依賴于工況循環(huán)狀態(tài)，且計(jì)算量大，計(jì)算時間長，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線控制。可見，需要進(jìn)行算法的改進(jìn)，并與其它技術(shù)相結(jié)合,以縮短計(jì)算時間，實(shí)現(xiàn)對未來工況信息的預(yù)測。濾波功率分配策略能夠充分利用不同儲能元件的特性,操作簡單,但魯棒性和自適應(yīng)能力較差?；谝?guī)則的固定閾值管理策略和基于模糊控制規(guī)則的能量管理策略在某些特定驅(qū)動周期內(nèi)具有明顯優(yōu)勢,比較靈活,易于調(diào)節(jié)，前者對于動態(tài)性能較難滿足,針對性較強(qiáng)；后者適用范圍較廣,可變程度更大,但研究還有待繼續(xù)深入,有很大的發(fā)展空間。

綜上所述,能量管理策略要充分發(fā)揮各種控制方法的優(yōu)勢,使各種控制方法之間互相協(xié)同與融合,實(shí)現(xiàn)組合策略控制,以獲取系統(tǒng)最優(yōu)的綜合性能。要綜合考慮有軌電車車載儲能系統(tǒng)的構(gòu)型及容量配置,進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，以改善整車的能量效率,尋求更為適用于特定設(shè)計(jì)需求的能量管理策略。

5 應(yīng)用情況

對于在市區(qū)中進(jìn)行工作的有軌電車而言,接觸網(wǎng)的架空設(shè)計(jì)會影響城市美觀[10]。同時,由于現(xiàn)代有軌電車啟停頻繁、站間運(yùn)行距離相比地鐵、輕軌更短,因此制動能量相當(dāng)可觀。研究表明，大約 40%的牽引能量可以在再生制動階段回收。采用接觸網(wǎng)供電的有軌電車,其制動能量不能被直流供電網(wǎng)的其它裝置完全吸收,剩余能量會導(dǎo)致直流網(wǎng)電壓抬升。當(dāng)直流網(wǎng)電壓超過允許范圍時,空氣制動會伴隨產(chǎn)生熱量、粉塵、噪聲污染，并造成機(jī)械磨損，這對于有軌電車的發(fā)展極為不利。對于上述問題,利用儲能技術(shù)在供電網(wǎng)或者列車上安裝儲能裝置,可以得到有效解決。目前，有軌電車車載儲能系統(tǒng)的應(yīng)用情況見表1。

表1 有軌電車車載儲能系統(tǒng)應(yīng)用情況

6 結(jié)束語

對于有軌電車而言,車載儲能系統(tǒng)是整車的動力來源,其性能在很大程度上會影響整車的動力特性。車載儲能系統(tǒng)不僅需要存儲足夠能量，而且需要承受瞬時大功率。就目前而言，還缺少滿足以上特點(diǎn)的儲能元件。以現(xiàn)有的儲能技術(shù)條件,需要將具有高能量密度、高功率密度的儲能元件相結(jié)合,組成混合動力儲能系統(tǒng)來向車輛提供能量,才能滿足有軌電車運(yùn)行過程中對功率和能量的需求。