應(yīng)用于混合動力動車組的大功率高密度儲能電源研制

付亞娥 張能孝 毛業(yè)軍

摘 要：結(jié)合城市軌道交通車輛的電氣系統(tǒng)及儲能電源的工作原理，介紹一種應(yīng)用于混合動力動車組的儲能電源總體設(shè)計，從儲能電源的主要技術(shù)參數(shù)、電氣原理，以及保護電路等方面闡述該儲能電源的技術(shù)優(yōu)勢和特點。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;混合動力;大功率;高密度;儲能電源;保護電路

低碳、綠色、智能的交通系統(tǒng)已越來越受到世界的歡迎。儲能式現(xiàn)代有軌電車以其能耗小、線路投資低、無須架設(shè)供電網(wǎng)線的特點，近年來得到全國多地區(qū)的認可及推廣。目前，儲能電源在城市軌道交通車輛領(lǐng)域已具備一定的運用經(jīng)驗，現(xiàn)有儲能式現(xiàn)代有軌電車采用的儲能電源均安裝在車頂位置，在儲能電源的組裝或檢修過程中工人均需攀爬車頂、觸碰電氣連接銅排和拆裝銅排緊固件，存在檢修耗時長、檢修工人的人身安全隱患等不足。同時，儲能電源系統(tǒng)補充能量的方式均采用充電站的方式，因此站臺旁邊需要配置充電裝置。本文將介紹一種應(yīng)用于混合（柴-電）動力動車組的大功率高密度儲能電源，當(dāng)動車組運行在無弓網(wǎng)、無充電站的非電氣化干線上，儲能電源會通過動車組配置的動力包進行充電并吸收動車組制動過程中產(chǎn)生的能量，滿足動車組的長途牽引需求。

1 混合動力動車組概述

1.1 動車組技術(shù)參數(shù)

動車組的設(shè)計速度為140km/h，啟動加速度大于0.8m/s2，編組形式為-D1 + M1 + M2 + D2 -，其中：D為拖車（帶司機室和動力包），M為動車（帶變流器和動力轉(zhuǎn)向架），-為美國鐵路協(xié)會（AAR）標(biāo)準(zhǔn)的10A鉤頭司機室端車鉤，+為半永久牽引桿。

1.2 動車組牽引系統(tǒng)

動車組牽引系統(tǒng)采用柴-電混合動力方案，主要由動力包（PMG）、永磁發(fā)電機（Engine）、AC/DC整流器、DC/DC整流器、儲能電源、主輔一體式變流器、制動電阻和牽引電機（M）組成，動力包與儲能電源共同為動車組供電。其電氣拓撲圖如圖1所示。

2 儲能電源概述

儲能電源是混合動力動車組的儲能裝置，安裝于車輛底部，主要功能有：

（1）在列車牽引工況下，儲能電源和動力包同時給變流器供電，由于儲能電源短時大功率輸出特性，動車組在短時內(nèi)能加速到最高運營速度;

（2）在列車惰行工況下，動力包除少量功率用于維持列車恒速運行外，多余的功率用于給儲能電源充電，以備下階段儲能電源牽引功率輸出;

（3）在列車制動工況下，牽引電機將列車動能轉(zhuǎn)化為電能給動車組供電，同時將多余的能量儲存到儲能電源中，實現(xiàn)能量的回收及循環(huán)利用。

混合動力動車組儲能電源由機箱、42個超級電容模組（包含電壓均衡單元）、主控單元、電流/電壓傳感器、熔斷器、雙極直流接觸器、閘刀簧片、散熱風(fēng)扇等組成。這些零部件設(shè)計成模塊化托盤的方式，在儲能電源的組裝、維護過程中，工人無需觸碰高壓電氣連接銅排和拆裝銅排緊固件，只需通過推拉模組托盤就可使儲能電源實現(xiàn)自合/斷高壓電路，保障檢修維護的安全。

儲能電源采用60000F電池電容器作為儲能元件，60000F電池電容正極復(fù)合材料是以碳納料管+復(fù)合糖類作為碳源包覆的納料級磷酸鐵鋰，負極復(fù)合材料為石墨、軟碳、硬碳三元復(fù)合材料，該儲能元件突破了以往超級電容（3000F、9500F等）低能量密度、體積密度的技術(shù)壁壘，具有高比能量、高比功率、長壽命的特點。儲能電源的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

儲能電源采用車底懸掛的安裝方式，以客室空調(diào)廢排作為冷卻源保證散熱效果，其整體布局如圖2所示。

儲能電源的主要零部件是42個超級電容模組，為減小縱向和橫向的尺寸，將儲能電源箱設(shè)計為上、下2層安裝模組的結(jié)構(gòu)，42個超級電容模組分別安裝在21 個托盤上，形成14 個模組托盤組件和7個斷電模組托盤組件，每一縱列2個模組托盤組件和1個斷電模組托盤組件之間通過推拉的方式裝入箱體內(nèi)，在推拉的過程中自動合/斷電（刀開關(guān)的方式）連接。儲能電源兩側(cè)各配置6個風(fēng)機組件，風(fēng)機的檢修維護無須打開箱體柜門，可以直接在箱體外側(cè)拆卸風(fēng)機組件的緊固件。儲能電源箱柜門上設(shè)計防脫落裝置，防止柜門松動及脫落。儲能電源的電器部件（如雙極直流接觸器、電流傳感器、熔斷器等）設(shè)計成模塊化，主電路及控制電路中的所有器件均安裝在器件托盤組件上，器件托盤組件的安裝也是采用推拉的方式。

縱向的超級電容模組之間的電連接采用刀開關(guān)形式，如圖3所示。儲能電源在組裝過程中，先將14 個模組托盤組件安裝到儲能電源箱內(nèi)，然后把橫向的超級電容模組間用連接銅排1和緊固件連接好，再將另一側(cè)已用連接銅排2連接好的斷電模組托盤組件依次推入，至此整個儲能電源箱內(nèi)的超級電容模組之間的電路已串聯(lián)閉合，無需人工觸碰高壓回路上的電連接部件（如銅排、緊固件等）。

3 儲能電源電氣設(shè)計

3.1 主電路原理圖設(shè)計

儲能電源的主電路原理示意圖如圖4所示，主要由輸入回路的正極熔斷器（F01）、雙極直流接觸器（K01）、電流傳感器（B02）、超級電容模組及電路（C01～C42）、電流傳感器（B03）、負極熔斷器（F02）、電壓傳感器（B01）、控制單元及對外相連的端子（如P1、P2、N1、N2）等組成。

3.2 工作原理

當(dāng)儲能電源電壓在DC 630～870 V內(nèi)，可給動車組提供牽引力，此時儲能電源經(jīng)過B02、K01和F01后給動車組牽引系統(tǒng)供電;當(dāng)儲能電源電壓低于DC 630 V時，由柴油機或動車組制動過程中產(chǎn)生的能量對儲能電源進行充電，即經(jīng)過F01、K01和B02后給超級電容模組充電。控制單元負責(zé)監(jiān)控儲能電源的運行狀態(tài)，42個超級模組上的電壓均衡單元通過內(nèi)部通信接口J1、J2進行控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信串聯(lián)（終端電阻R1安裝在模組C42上），將采集到的42個超級電容模組的電壓、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)通過CAN通信發(fā)送給控制單元，正負極熔斷器、電流傳感器、電壓傳感器等的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過硬線發(fā)送給控制單元，然后控制單元將計算出的輸出電壓、溫度及器件狀態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)送給動車組，以實現(xiàn)動車組對儲能電源的實時監(jiān)控。

3.3 保護電路設(shè)計

儲能電源系統(tǒng)及動車組牽引系統(tǒng)均具備切斷DC 110 V供電系統(tǒng)的功能，即通過硬線電路來控制K01的通斷。如圖5所示，儲能電源對DC 110 V供電的切斷是通過內(nèi)部的控制單元、二極管四線端子（V01）、中間繼電器（K02）再到雙極直流接觸器（K01）進行控制;動車組對儲能電源的切斷是通過控制雙極直流接觸器實現(xiàn)的。

中間繼電器（K02）的狀態(tài)如表2所示。

當(dāng)儲能電源管理系統(tǒng)（CMS）檢測到Cxx號模組超溫報警或模組內(nèi)單體過壓報警時，控制單元向動車組發(fā)送請求切除儲能電源信號，5 s后控制單元提供DC24 V信號（控制單元高電平），使K02的A1線圈得電、觸點51、52常閉。動車組手動切除儲能電源信號后，動車組完成卸載，斷開DC 110 V信號（低電平），K01的A1、A2線圈失電，此時圖5中K01的常開觸點13、14斷開，圖4中K01的主觸頭1、2斷開。

當(dāng)滿足超溫報警模組溫度≤52 ℃時，模組高溫報警故障解除;當(dāng)過壓報警模組故障解除后，DC 24 V信號斷開（低電平），K02的線圈A1失電，K02常閉觸點51、52閉合，此時K02為失電狀態(tài)，并將此狀態(tài)上報給動車組，動車組繼續(xù)根據(jù)其他條件判斷是否可以閉合接觸器且執(zhí)行相應(yīng)命令。當(dāng)動車組判斷到接觸器可接通，便提供DC 110 V信號（高電平），此時，K01的A1、A2線圈得電，常開觸點13、14閉合，K01接通。

中間繼電器（K02）、動車組DC 110 V控制信號、雙極直流接觸器（K01）三者的對應(yīng)狀態(tài)如表3所示。

儲能電源內(nèi)部裝有煙溫探測器，當(dāng)檢測到箱體內(nèi)部有煙霧，則會啟動動車組的火災(zāi)報警，此時動車組DC110 V電源供電斷開，K01的A1、A2線圈失電，常開觸點13、14斷開，主觸點1、2也斷開，動車組切斷儲能電源。

儲能電源的正負極輸入端分別設(shè)置了熔斷器進行主電路的短路過流保護，熔斷器的特性曲線如圖6所示。當(dāng)儲能電源的工作電流為600 A時，熔斷器的動作時間（即熔體熔斷后切斷主電路）大于10000s;當(dāng)儲能電源的工作電流為900 A時，熔斷器的動作時間大于4000s;當(dāng)儲能電源的工作電流為1000 A時，熔斷器的動作時間為900～1000 s。儲能電源的持續(xù)充放電電流為600 A，瞬時（30 s內(nèi)）峰值充放電電流為900A，故其配置的熔斷器可有效進行主電路的短路過流保護。

超級電容的工作溫度范圍為-20～55 ℃，儲能電源內(nèi)每個模組均設(shè)置1個溫度傳感器。儲能電源管理系統(tǒng)對儲能電源內(nèi)部所有超級電容單體的溫度進行監(jiān)控，當(dāng)檢測到平均溫度超過45 ℃時，儲能電源發(fā)送預(yù)警信號，建議動車組回庫后進行檢修;當(dāng)平均溫度超過55℃時，儲能電源發(fā)送過溫報警信號，通過K01中斷儲能電源的使用。

4 儲能電源的性能特點

（1）節(jié)能環(huán)保?；旌蟿恿榆嚱M牽引時，儲能電源可以短時提供大功率供列車啟動加速，因此可配置功率小、體積小、質(zhì)量小的柴油機動力包，從而減少動車組的質(zhì)量和輪軌沖擊，且可降低車輛噪聲;制動時，牽引電機反饋的制動能量可以被超級電容吸收存儲，供下次列車啟動使用，實現(xiàn)能量循環(huán)利用，可以起到節(jié)能減排的效果。

（2）安全可靠。防火設(shè)計滿足最新的國際標(biāo)準(zhǔn)EN 45545-2 ： 2013《Railway applications -Fire protection of railway vehicles -Part 2 ： Requirement for fire behaviour of materials and components》;動車組可實時監(jiān)測儲能電源的狀態(tài);儲能電源及動車組牽引系統(tǒng)均具備切斷整套供電系統(tǒng)的保護功能，提高了動車組的安全性能。

（3）方便檢修。在儲能電源的組裝、維護過程中，工人無須觸碰高壓電氣連接銅排，無須拆裝銅排緊固件，而是通過推拉模組托盤對超級電容進行自斷電。

5 應(yīng)用

本文闡述的儲能電源系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某動車組項目，各項指標(biāo)均達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，且運行穩(wěn)定可靠，符合動車組運用需求。根據(jù)在某動車組上進行的儲能電源牽引性能試驗，記錄各速度、牽引極位下的數(shù)據(jù)后繪制的牽引特性曲線與標(biāo)準(zhǔn)牽引特性曲線分別如圖7和圖8所示。

由圖8可知，100%極位時動車組在速度為20 km/h時的牽引輸出功率為500 kW，然后持續(xù)恒功率輸出，直到動車組達到120 km/h。儲能電源在動車組牽引試驗過程中，在速度為20 km/h時，牽引輸出功率達到了500 kW以上，如圖7深藍色點位所示，故本文研制的儲能電源試驗數(shù)據(jù)滿足動車組需求，具備大電流持續(xù)充放電能力，功率發(fā)揮曲線穩(wěn)定。

6 結(jié)語

本文詳細介紹了儲能電源的設(shè)計與結(jié)構(gòu)，最終用具體實例驗證了其相應(yīng)指標(biāo)均達到動車組的需求。該儲能電源的成功研制實現(xiàn)了節(jié)能、減排的環(huán)保目標(biāo)，為混合動力動車組系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供了良好的借鑒，可將其用于機車儲能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、城市軌道交通儲能系統(tǒng)、電力動車組（EMU）、通信、國防等領(lǐng)域，經(jīng)濟和社會效益前景蔚為可觀。

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收稿日期 2020-04-29

責(zé)任編輯 黨選麗