儲(chǔ)能式有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)工作組數(shù)診斷及充電控制的研究

文 午，付 鵬，張偉先，胡潤(rùn)文

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)采用多組并聯(lián)工作模式作為車輛的動(dòng)力電源。車輛通過(guò)主動(dòng)駛?cè)胝九_(tái)，通過(guò)地面充電系統(tǒng)進(jìn)行充電，為儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充電量。儲(chǔ)能系統(tǒng)過(guò)電流充電會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能元件過(guò)熱或過(guò)電壓，同時(shí)會(huì)加快儲(chǔ)能元件的壽命衰減。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)單組或多組儲(chǔ)能電源故障時(shí)，因儲(chǔ)能系統(tǒng)和地面充電系統(tǒng)無(wú)數(shù)據(jù)通信，需要充電系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)及計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，判斷儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作組數(shù)，自動(dòng)調(diào)整充電電流，不過(guò)電流充電，并以最快速度補(bǔ)充儲(chǔ)能電源的電量，最大限度地保證車輛可靠運(yùn)行。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)工作組數(shù)判斷方法

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)單體串并聯(lián)成組后的容量計(jì)算公式

(1)

N為單體并聯(lián)數(shù)，M為單體串聯(lián)數(shù)，c1為單體的容量。

(2)

在同一時(shí)刻，車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電流是一致的，儲(chǔ)能電源的容量C反比與電壓上升值ΔU。為減小系統(tǒng)的計(jì)算量，通過(guò)檢測(cè)固定周期ΔT內(nèi)，儲(chǔ)能電源總電壓上升值ΔU，作為儲(chǔ)能電源工作組數(shù)的判斷依據(jù)。

根據(jù)儲(chǔ)能式有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)多組并聯(lián)工作模式，分析車輛進(jìn)出站的工作狀況，影響電壓上升率計(jì)算的因素主要有：①車輛進(jìn)站制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，影響檢測(cè)電流的數(shù)值。②充電系統(tǒng)恒流充電時(shí)，存在一定的穩(wěn)流偏差。③車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電中，輔助設(shè)備一直在工作，消耗一部分充電能量。④電壓傳感器檢測(cè)精度存在誤差，影響電壓的值實(shí)際采樣準(zhǔn)確度。⑤儲(chǔ)能電源的運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)容量衰減。

針對(duì)以上影響因素，充電系統(tǒng)進(jìn)行如下處理。

1)充電系統(tǒng)在檢測(cè)到車輛進(jìn)站，在初始階段以試驗(yàn)電流充電，不進(jìn)行容量計(jì)算，主要避免車輛制動(dòng)時(shí)，回收的能量對(duì)計(jì)算的影響。如車輛進(jìn)站接觸到充電軌至停車的距離為s1≈10 m，車輛常用制動(dòng)平均減速度為a1≥1.2 m/s2，則：

(3)

該時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多次測(cè)量，根據(jù)計(jì)算值并預(yù)留一定的裕量，取值為5 s。

2)為盡量縮短車輛充電時(shí)間，檢測(cè)時(shí)間盡量縮短，只需要區(qū)分儲(chǔ)能電源工作組數(shù)，不需要精確測(cè)量電壓上升率，根據(jù)穩(wěn)流精度系數(shù)、輔助負(fù)載最大工作電流、電壓傳感器采樣精度系數(shù)和容量衰減系數(shù)，綜合綜合計(jì)算，計(jì)算固定時(shí)間周期內(nèi)，在恒流工況下，電壓上升的極限值，并根據(jù)極限值進(jìn)行不同組數(shù)工作時(shí)，電壓上升區(qū)間的劃分，從而進(jìn)行組數(shù)的判別，和充電電流調(diào)整。電壓上升率計(jì)算公式：

(4)

k1為電壓采樣精度系數(shù)，k2為穩(wěn)流精度系數(shù)，k3為容量衰減系數(shù)；IA為輔助負(fù)載最大工作電流。

以某儲(chǔ)能式車輛的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置進(jìn)行電壓上升率計(jì)算。儲(chǔ)能電源系統(tǒng)配置方案為：2并344串7 500 F超級(jí)電容組成一個(gè)儲(chǔ)能電源箱，3組儲(chǔ)能電源箱并聯(lián)組成車輛的儲(chǔ)能系統(tǒng)，車輛輔助負(fù)載最大工作電流50 A，車輛停止時(shí)間5 s。充電系統(tǒng)穩(wěn)流精度為1%，電壓采樣精度為1%，檢測(cè)電流為1 000 A，檢測(cè)周期時(shí)間3 s，電壓上升率區(qū)間計(jì)算見(jiàn)表1。

根據(jù)表電壓上升率計(jì)算表，進(jìn)行工作組數(shù)的判斷：

(5)

2 充電系統(tǒng)充電控制方法

充電系統(tǒng)通過(guò)車輛進(jìn)站信號(hào)，開(kāi)始以檢測(cè)電流進(jìn)行恒流充電，持續(xù)計(jì)算的停車時(shí)間T1后，開(kāi)始按照固定周期時(shí)間(T2-T1)進(jìn)行電壓上升率的計(jì)算(V2-V1)，按照計(jì)算的不同組數(shù)的電壓上升率區(qū)間，進(jìn)行工作組數(shù)n的判別，按照組數(shù)允許的最大工作電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整?？刂七壿媹D見(jiàn)圖1。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓上升率區(qū)間計(jì)算表

圖1 充電系統(tǒng)充電控制流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方案，在某線路儲(chǔ)能式有軌電車進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)如下。

1)試驗(yàn)1：通過(guò)人工計(jì)時(shí)檢測(cè)，車輛進(jìn)站時(shí)間在4～5 s。

2)試驗(yàn)2：車輛按照正常運(yùn)營(yíng)情況，不打開(kāi)任何輔助負(fù)載，充電系統(tǒng)檢測(cè)到車輛進(jìn)站后，1 000 A充電5 s后，繼續(xù)1 000 A充電3 s后，檢測(cè)電壓上升率。儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓上升率波形如圖2。

儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)如表2。

(a)2組儲(chǔ)能電源電壓上升率波形 (b)3組儲(chǔ)能電源電壓上升率波形

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)記錄表(不開(kāi)輔助負(fù)載)

3)試驗(yàn)3：車輛按照正常運(yùn)營(yíng)情況，輔助負(fù)載全開(kāi)，充電系統(tǒng)檢測(cè)到車輛進(jìn)站后，1 000 A充電5 s后，繼續(xù)1 000 A充電3 s后，檢測(cè)電壓上升率。儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓上升率波形如圖3。儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)如表3。

(a)2組儲(chǔ)能電源電壓上升率波形 (b)3組儲(chǔ)能電源電壓上升率波形

表3 儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)記錄表(輔助負(fù)載全開(kāi))

4)試驗(yàn)4：自動(dòng)調(diào)整充電流試驗(yàn)：設(shè)置充電電流1 300 A，檢測(cè)電流1 000 A，2組工作時(shí)，1 200 A電流充電，3組工作時(shí)1 300 A。

不開(kāi)輔助負(fù)載時(shí)，充電系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整充電電流波形圖如圖4。

輔助負(fù)載全開(kāi)時(shí)，充電系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整充電電流波形圖如圖5。

(a)2組儲(chǔ)能電源充電電流波形 (b)3組儲(chǔ)能電源充電電流波形

(a)2組儲(chǔ)能電源充電電流波形 (b)3組儲(chǔ)能電源充電電流波形

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和波形圖可知：在1 000 A恒流充電3 s情況下，2組儲(chǔ)能電源工作時(shí)，電壓上升率在33.9～37.7 V，3組儲(chǔ)能電源工作時(shí)，電壓上升率在22.4～26.2 V都在理論計(jì)算值范圍；車輛進(jìn)站時(shí)間人工檢測(cè)大概在4～5 s，與預(yù)估的時(shí)間為5 s差不多，充電系統(tǒng)能夠按照電壓上升區(qū)間進(jìn)行車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)工作組數(shù)的判別，并實(shí)現(xiàn)充電電流的自動(dòng)調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然地面充電系統(tǒng)判斷充電車輛儲(chǔ)能電源的工作組數(shù)需要在充電前階段8 s內(nèi)，降低充電電流，但相對(duì)于3組儲(chǔ)能電源正常充電時(shí)，僅增加了3 s充電時(shí)間，對(duì)于大部分項(xiàng)目，車輛停站時(shí)間都在30 s左右，增加的3 s時(shí)間對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)影響不大。若要提高組數(shù)判別的準(zhǔn)確度，可以延長(zhǎng)計(jì)算電壓上升率時(shí)間段的充電時(shí)間，電壓上升率絕對(duì)值變大，不同組數(shù)間電壓上升率差值也變大，受器件采樣精度等的影響比例要小些。通過(guò)此方案的實(shí)施，可以提高車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。