快捷貨車太陽能軸驅(qū)冗余互補(bǔ)發(fā)電儲能系統(tǒng)的研究*

田繼森， 辛恩承， 孫 功， 梁 浩

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094；3 天津航空機(jī)電有限公司， 天津 300301)

基于貨運(yùn)市場需求，快捷貨運(yùn)已經(jīng)成為世界鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展方向之一，歐美等國家已經(jīng)開發(fā)出相當(dāng)多的快捷貨車產(chǎn)品類型。目前我國貨物列車的最高速度還停留在120 km/h，根據(jù)鐵路貨運(yùn)提速的要求，應(yīng)開發(fā)160 km/h快捷貨車，以消除鐵路全面提速的瓶頸。

160 km/h快捷貨車設(shè)計中，由于軸重、編組及空重車的變化要求，既有的客車和貨車制動系統(tǒng)不能照搬來用，快捷貨車制動系統(tǒng)需重新設(shè)計，160 km/h的速度下電子防滑器的應(yīng)用成為大家的共識；速度軸重的提高要求對軸承、制動、防滑器、轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)生影響行車安全的情況要求可以及時報警和信息上傳，因此給快捷貨車供電成為必要條件。

機(jī)車直供電是解決快捷貨車供電的一個方式，沒有機(jī)車直供電情況下依靠快捷貨車自發(fā)電系統(tǒng)就成為解決用電問題的另一條途徑。根據(jù)快捷貨車運(yùn)行及用電特點，自發(fā)電方式下用電基本需求為：單車功率200 W，滿足24 h不間斷供電。

國內(nèi)外鐵路車輛的自發(fā)電方式有軸驅(qū)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和振動發(fā)電等，如圖1所示。目前軸驅(qū)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電3種方式在實踐中都有應(yīng)用案例，振動發(fā)電目前應(yīng)用案例少，且發(fā)電功率很低。軸驅(qū)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電各有優(yōu)缺點，軸驅(qū)發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電在車輛高速運(yùn)行時發(fā)電功率和效率高，速度發(fā)電能力弱；太陽能發(fā)電只要光照充足就可以穩(wěn)定輸出，輸出功率和光伏板的面積有關(guān)，光照差時輸出功率低。綜合評估下單獨(dú)采用任何一種模式都不能達(dá)到我們的供電需求。

目前軸驅(qū)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用很成熟，有盤式、徑向分離式、桶式和定子轉(zhuǎn)子外蓋組合式等；風(fēng)力發(fā)電主要安裝于車輛的主梁下，體積較大，工藝要求復(fù)雜，檢修不便捷，技術(shù)相比軸驅(qū)發(fā)電不夠成熟；太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅猛，價格較低，同時光伏板可進(jìn)行弧面設(shè)計，維護(hù)簡單，且防護(hù)等級達(dá)到IP65，完全適應(yīng)運(yùn)行車輛的防護(hù)要求?；诖?，我們設(shè)計了太陽能軸驅(qū)互補(bǔ)冗余發(fā)電儲能系統(tǒng)。太陽能是清潔能源，在貨車停止運(yùn)行時有光條件下提供能量來源，符合節(jié)能環(huán)保的理念，軸驅(qū)發(fā)電機(jī)在貨車運(yùn)行過程中不僅能給蓄電池提供穩(wěn)定的充電電流，還可將多余的電能直接用于車載用電器，這套系統(tǒng)可以結(jié)合二者的優(yōu)點，彌補(bǔ)各自缺點，同時每一節(jié)車廂都安裝一套冗余供電系統(tǒng)，則可以減輕列車內(nèi)電氣連接的復(fù)雜程度，減少車廂布線的工作量，同時提高故障檢修效率及整車的容錯能力；通過發(fā)電機(jī)和太陽能的冗余供電，能夠?qū)崿F(xiàn)所有環(huán)境中的可持續(xù)供電，即使車輛停運(yùn)且無光的條件下，設(shè)備依靠蓄電池供電，電子設(shè)備可連續(xù)運(yùn)行24 h。

表1 不同供電方式對比

1 系統(tǒng)原理

太陽能軸驅(qū)冗余發(fā)電儲能電系統(tǒng)由4個部分構(gòu)成：軸驅(qū)發(fā)電機(jī)、太陽能光伏板、冗余供電控制器、蓄電池，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

軸驅(qū)發(fā)電機(jī)安裝于快捷貨車軸端，太陽能光伏板設(shè)置于車廂頂部；冗余供電控制器的電機(jī)接口及光伏接口分別與軸驅(qū)發(fā)電機(jī)、太陽能光伏板連接，冗余供電控制器的充電電路與蓄電池連接，用于控制軸驅(qū)發(fā)電機(jī)、太陽能光伏板向蓄電池充電并為其他車載設(shè)備供電；蓄電池用于存儲軸驅(qū)發(fā)電機(jī)和太陽能光伏板發(fā)出的電能，并在冗余供電控制器的控制下為車載設(shè)備供電。

發(fā)電儲能策略：

(1)當(dāng)列車在光照條件良好環(huán)境中以大于50 km/h運(yùn)行時，由車軸帶動軸驅(qū)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給蓄電池充電。與此同時，太陽能光伏板也處于工作狀態(tài)，給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池充滿電后，軸驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)可直接給負(fù)載供電。哪個系統(tǒng)供電起主要作用，由控制器根據(jù)電壓進(jìn)行裁決。

(2)當(dāng)列車在光照條件良好環(huán)境中處于停車狀態(tài)或以低于50 km/h的速度運(yùn)行時，軸驅(qū)發(fā)電機(jī)的輸出電壓很低，主要由太陽能光伏板對蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池充滿電后，可直接給負(fù)載供電。

(3)當(dāng)列車在光照條件較差環(huán)境中以大于50 km/h運(yùn)行時，太陽能光伏板輸出電壓過低，主要由軸驅(qū)發(fā)電機(jī)對蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池充滿電后，軸驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)可直接給負(fù)載供電。

(4)當(dāng)列車光照條件較差環(huán)境以低于50 km/h的速度運(yùn)行時，太陽能電池和發(fā)電機(jī)的輸出電壓都較低，此時車載設(shè)備的供電主要由蓄電池提供。蓄電池采用鉛酸電池，儲存能量大，能夠滿足車載設(shè)備24 h的供電所需能量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 發(fā)電機(jī)

太陽能軸驅(qū)冗余發(fā)電系統(tǒng)的軸驅(qū)發(fā)電機(jī)采用24 V永磁發(fā)電器，如圖2所示，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，額定功率200 W的發(fā)電機(jī)模擬。當(dāng)列車運(yùn)行速度大于48.6 km/h(對應(yīng)轉(zhuǎn)速為300 r/min)時，軸驅(qū)發(fā)電機(jī)即可提供100 W的發(fā)電輸出功率；當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到97.2 km/h(對應(yīng)轉(zhuǎn)速為600 r/min)以上時，軸驅(qū)發(fā)電機(jī)即可提供200 W的發(fā)電輸出功率；當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到153.8 km/h(對應(yīng)轉(zhuǎn)速為950 r/min)以上時，軸驅(qū)發(fā)電機(jī)即可提供300 W的發(fā)電輸出功率。

圖2 24 V交流發(fā)電機(jī)

2.2 太陽能光伏板

太陽能光伏板選擇250 W/24 V的單晶硅太陽能光伏板(面積為990 mm×1 640 mm)，如圖3所示，單晶硅太陽能光伏板相對于多晶硅太陽能光伏板來說，優(yōu)點在于效率比較高，在光照條件良好的條件下可穩(wěn)定輸出大于150 W的輸出功率。

圖3 太陽能光伏板

2.3 冗余控制器

控制器的主要作用就是安全高效地控制發(fā)電機(jī)和光伏組件對蓄電池進(jìn)行充電，如何高效的利用太陽能是系統(tǒng)的核心控制部件。如圖4所示，控制器主要由整流單元，BUCK-BOOST電路，MPPT模塊，控制電路，按鍵和顯示單元組成。

圖4 控制器原理框圖

(1)BUCK-BOOST電路也稱升降壓式變換器，是一種輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，但其輸出電壓的極性與輸入電壓相反，如圖5所示。Buck/Boost變換器可看作是Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成。這種電路可做升壓電路，也可以作為降壓電路。

圖5 BUCK-BOOST原理圖

BUCK-BOOST電路的控制芯片采用LM5118，如圖6所示。LM5118是寬電壓范圍降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓控制器，具有使用最少外部組件實現(xiàn)高性能且具成本效益的降壓/升壓穩(wěn)壓器所需的所有功能。當(dāng)輸入電壓低于或高于輸出電壓時，降壓/升壓拓?fù)淇墒馆敵鲭妷罕３址€(wěn)定。當(dāng)輸入電壓比調(diào)節(jié)后的輸出電壓足夠大時，LM5118 將作為降壓穩(wěn)壓器運(yùn)行，然后隨著輸入電壓接近輸出電壓逐漸過渡到相應(yīng)的降壓/升壓模式。這種雙模式方法可在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)壓，并且在降壓模式下提供最佳的轉(zhuǎn)換效率，同時在模式轉(zhuǎn)換期間提供無干擾的輸出。

(2)整流單元的作用主要是將交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流濾波為直流電。當(dāng)電機(jī)輸出電壓有效值為AC 24 V時，整流電壓Uac=24 V×2.34=56.16 V

(3)液晶顯示電路可以顯示系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，和按鍵配合可以對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，例如充電電流、過流保護(hù)值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

(4)控制電路的作用是BUCK-BOOST電路進(jìn)行穩(wěn)壓、限流控制；將電池電壓、發(fā)電機(jī)電壓、太陽能光伏板電壓、充電電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等相關(guān)信息參數(shù)顯示在液晶上；處理來自按鍵的設(shè)置信息，這些信息包括充電電流,發(fā)電器的上限轉(zhuǎn)速、上限電壓、上限電流，蓄電池的容量上限等相關(guān)信息；設(shè)定電機(jī)過轉(zhuǎn)速、過電壓、過電流限制，一旦電機(jī)超過設(shè)定的上限轉(zhuǎn)速、上限電壓或上限電流，控制器自動啟動PWM智能卸載，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)。

圖6 LM5118

(5)MPPT模塊控制

光伏電池陣列通過升降壓電路對電容充電。系統(tǒng)通過MPPT控制器尋找出光伏電池最大功率點，給出控制信號，通過PWM驅(qū)動電路調(diào)節(jié)功率變換器的占空比D，改變變換器的輸入電壓Uin，使其與光伏電池陣列最大功率點所對應(yīng)的電壓相匹配，從而使光伏電池陣列始終輸出最大功率，充分利用太陽能。系統(tǒng)中最大功率跟蹤的過程實際上是一個光伏電池功率自尋優(yōu)的過程。

采用的MPPT控制算法是電壓回饋法。電壓回饋法是最簡單的一種最大功率跟蹤法。經(jīng)由事先測試的結(jié)果，我們可得知太陽能光伏板在某一日照強(qiáng)度下的最大功率點的電壓大小，此方法是調(diào)整太陽能光伏板的端電壓，使其能與事先測試的電壓相符，來達(dá)到最大功率點追蹤的效果。

2.4 蓄電池

蓄電池采用鉛酸電池，在電池電壓確定的情況下，電池容量的選擇很重要。持續(xù)輸出功率按照30 W計算。則輸出的持續(xù)電流是I=30 W/24 V=1.25 A,設(shè)備連續(xù)工作24 h，則需要的電池容量為C=1.25 A×24 h=30 Ah，考慮到余量，選擇40 Ah/24 V的鉛酸電池組。

2.5 工作過程

發(fā)電機(jī)的輸出通過斷路器連接在控制器的電機(jī)接口上，如圖7所示。太陽能光伏板通過斷路器連接在控制器的光伏接口上?？刂破鞯淖饔迷谟谀軌虬踩咝У乜刂瓢l(fā)電機(jī)和光伏組件對蓄電池進(jìn)行充電。同時，提供了電機(jī)過轉(zhuǎn)速、過電壓、過電流限制，一旦電機(jī)超過設(shè)定的上限轉(zhuǎn)速、上限電壓或上限電流，控制器自動啟動PWM智能卸載，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)電壓低于蓄電池電壓時，控制器自動啟動升壓模塊，將電機(jī)電壓提升到充電電壓，此時電機(jī)進(jìn)行升壓充電；當(dāng)電機(jī)電壓高于蓄電池電壓時，為了獲取最大功率，控制器自動啟動降壓模塊，對電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行降壓充電。

圖7 控制器接線圖

當(dāng)太陽能光伏電池板和發(fā)電機(jī)同時工作時，太陽能光伏板的輸出電壓和發(fā)電機(jī)輸出電壓的2.34倍，進(jìn)行比較，誰的電壓高，誰將作為主要的功率輸出。

如果此時光照強(qiáng)烈或者列車高速運(yùn)轉(zhuǎn)，太陽板或者發(fā)電機(jī)用來給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池充滿電后，軸驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)可直接給負(fù)載供電。

當(dāng)充電處在恒流充電過程時，控制電路將控制BUCK-BOOST電路以設(shè)置的充電電流上限值進(jìn)行充電；當(dāng)充電處于恒壓階段時，BUCK-BOOST電路將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)置的電池電壓上限值進(jìn)行恒壓充電，此時的充電電流會逐漸減小，直至無限趨近與零。

當(dāng)蓄電池完全處于放電狀態(tài)時，控制器會不斷檢測電池的電壓，當(dāng)電池電壓降至欠壓點時，控制器會切斷電池的放電回路，并發(fā)出報警信號。

3 系統(tǒng)測試

3.1 試驗準(zhǔn)備

為試驗?zāi)軌蚍奖氵M(jìn)行，我們用一臺交流電動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)來模擬軸驅(qū)發(fā)電。

圖8所示，左側(cè)為發(fā)電機(jī)，右側(cè)為電動機(jī)。電動機(jī)采用三相異步電機(jī)。輸入AC 220 V，內(nèi)置變頻器可以將AC 220 V轉(zhuǎn)換為三相交流電。外接鍵盤，可以很方便的進(jìn)行人工調(diào)速。調(diào)速范圍是566～1 100 r/min。

圖9是軸驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)試驗臺實物圖，左側(cè)為電動機(jī)發(fā)電機(jī)對拖系統(tǒng)，右側(cè)為鉛酸電池組?？刂破鞯娘@示面板可以顯示充電電流，電池組電壓。

圖8 電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的對拖

圖9 軸驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)

3.2 試驗數(shù)據(jù)

3.2.1發(fā)電機(jī)性能測試

單獨(dú)測試對拖系統(tǒng)的電能輸出效果。

圖10 發(fā)電機(jī)輸出電壓波形圖

圖10是發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速579 r/min條件下，發(fā)電機(jī)輸出的電壓波形圖。經(jīng)過測試，空載條件下轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率的對應(yīng)表如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性

表2所示，隨著轉(zhuǎn)速的提升，發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率都同比增加，數(shù)據(jù)符合發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，對拖系統(tǒng)完全滿足試驗的要求。

3.2.2對拖系統(tǒng)充電試驗

充電試驗中，控制器的顯示面板顯示電池的電壓和充電電流，當(dāng)系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，面板上的紅色指示燈會亮起，如圖11～圖13所示。

不同轉(zhuǎn)速下，對拖系統(tǒng)的充電能力如表3所示。

3.2.3系統(tǒng)帶載能力測試

在控制器的負(fù)載端接200 W負(fù)載，開始測試系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速條件下的工作狀態(tài)。

圖11 面板顯示電池電壓

圖12 面板顯示充電電流大小

圖13 用示波器測試的充電電流波形

表3 轉(zhuǎn)數(shù)與充電電流關(guān)系

注：電池的初始電壓值為25 V。

圖14 帶載工作

圖14所示，最左側(cè)的小黑盒為24 V轉(zhuǎn)220 V的逆變器，逆變器接在控制器的負(fù)載接口上，逆變器的輸出接200 W的用電器，可以作為對拖系統(tǒng)的負(fù)載。

由表4和表5看出，當(dāng)列車速度小于100 km/h時，發(fā)電機(jī)的輸出功率不足200 W，不足的功率由電池和太陽能光伏板來補(bǔ)充；當(dāng)列車的車速大于120 km/h時，發(fā)電機(jī)的功率在200 W以上，能夠完全滿足用電負(fù)載的需求，多余的電能能夠用來給蓄電池充電。

3.2.4太陽能光伏板充電

表4 帶載狀態(tài)測試表

表5 轉(zhuǎn)速和列車速度表

太陽能光伏板選擇250 W/24 V的單晶硅太陽能光伏板(面積為990 mm×1 640 mm)。經(jīng)過測試，在光照良好的條件下，MPPT模塊控制開路電壓能夠達(dá)到36 V，輸出功率可以達(dá)到120 W。此種工況下太陽能發(fā)電起主導(dǎo)作用，蓄電池充滿電后，可穩(wěn)定給用電設(shè)備供電。

4 結(jié) 論

軸驅(qū)發(fā)電機(jī)、太陽能光伏板、冗余供電控制器、蓄電池構(gòu)成了完整的互補(bǔ)冗余發(fā)電儲能系統(tǒng)。可以根據(jù)電壓信號智能裁決光伏發(fā)電與軸驅(qū)發(fā)電的優(yōu)先級。通過對太陽能軸驅(qū)互補(bǔ)發(fā)電平臺的測試，太陽能軸驅(qū)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在多種環(huán)境中的可持續(xù)供電，太陽能和軸驅(qū)供電滿足單車功率200 W，24 h不間斷供電的設(shè)計要求。