智軌電車(chē)牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

謝 斌，李 京，文宇良，鄭漢峰

（中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

智軌電車(chē)由車(chē)載儲(chǔ)能鋰電池提供動(dòng)力電源,沿途不架設(shè)接觸網(wǎng)，采用首末站設(shè)置充電站方式進(jìn)行補(bǔ)電，因此車(chē)輛的續(xù)航能力與牽引系統(tǒng)的性能顯得尤為重要。而永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)具有損耗低、效率高、啟動(dòng)特性好、加速性能強(qiáng)及噪聲低的優(yōu)勢(shì)，成為了智軌電車(chē)牽引系統(tǒng)的首選方案[1]。

本文從車(chē)輛的牽引性能需求出發(fā)，介紹了采用車(chē)載鋰電池的智軌電車(chē)牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；根據(jù)車(chē)輛的參數(shù)設(shè)置，計(jì)算了牽引系統(tǒng)的性能指標(biāo)，同時(shí)介紹了車(chē)輛主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能方式、輔助電源系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

1 車(chē)輛參數(shù)及性能要求

智軌電車(chē)采用100%低地板型車(chē)體，由膠輪驅(qū)動(dòng)，3節(jié)編組（=Mc1+Tp+Mc2=），即1個(gè)帶受電弓的拖車(chē)模塊（Tp）和2個(gè)帶司機(jī)室的動(dòng)車(chē)模塊（Mc1和Mc2），其相互之間通過(guò)鉸接裝置相連，如圖1所示。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 智軌電車(chē)編組示意Fig. 1 Marshalling diagram of autonomous-rail rapid tram

表1 智軌電車(chē)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of autonomous-rail rapid tram

1.1 動(dòng)力性能

在平直干燥道路、新輪輪徑、額定電壓、額定載荷(AW2)工況下，智軌電車(chē)的性能要求如表2所示。

表2 智軌電車(chē)牽引性能參數(shù)Tab. 2 Traction parameters of autonomous-rail rapid tram

在平直干燥道路、新輪輪徑、額定電壓、滿(mǎn)員載荷(AW3)工況下，智軌電車(chē)電制動(dòng)性能要求如表3所示。

表3 智軌電車(chē)電制動(dòng)性能參數(shù)Tab. 3 Electric braking parameters of autonomous-rail rapid tram

1.2 故障運(yùn)行能力

車(chē)輛在空載（AW0）和正線100‰最大坡道工況下，當(dāng)牽引動(dòng)力損失1/2時(shí)，能啟動(dòng)并以限速20 km/h維持運(yùn)行到終點(diǎn)。車(chē)輛在AW3載荷和正線平直道路工況下，當(dāng)牽引動(dòng)力損失1/2時(shí)，可啟動(dòng)并以限速20 km/h維持運(yùn)行到終點(diǎn)。

2 高壓系統(tǒng)

智軌電車(chē)的高壓部件通過(guò)功率電纜相連，牽引系統(tǒng)高壓主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。全車(chē)配備有2個(gè)電機(jī)控制器。每個(gè)模塊配置1個(gè)電池組，全車(chē)共配備3個(gè)電池組。行車(chē)過(guò)程中，動(dòng)力電池組輸出的直流電通過(guò)電池高壓箱、開(kāi)關(guān)箱輸送給電機(jī)控制器，變換成頻率、電壓均可調(diào)節(jié)的三相交流電向永磁同步電機(jī)供電，以驅(qū)動(dòng)列車(chē)前進(jìn)。Mc車(chē)的電機(jī)控制器、輔助電源和直流空調(diào)均由開(kāi)關(guān)箱完成配電，Tp車(chē)廂的空調(diào)則由車(chē)頂高壓箱供給。在充電站充電時(shí)，通過(guò)司機(jī)室的“升弓”按鈕及“無(wú)線充電”界面進(jìn)入弓充模式。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)WiFi/4G與地面充電機(jī)進(jìn)行信息交互，充電機(jī)能實(shí)時(shí)響應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電壓及電流需求，通過(guò)射頻定位使車(chē)輛與其對(duì)應(yīng)的接觸軌配對(duì)，電流通過(guò)正負(fù)兩根接觸軌由受電弓依次進(jìn)入Tp車(chē)的車(chē)頂高壓箱和電池高壓箱給電池充電。

在Tp車(chē)的車(chē)頂高壓箱中設(shè)置有避雷、過(guò)流熔斷保護(hù)和電能計(jì)量等裝置。Tp車(chē)的電池高壓箱中有支路高壓集電、故障支路冗余切斷、支路電路檢測(cè)、負(fù)載放電控制、過(guò)流熔斷保護(hù)、手動(dòng)維護(hù)開(kāi)關(guān)（MSD）、高壓絕緣檢測(cè)（HVB）及電池管理（BMS）等功能設(shè)備，Mc車(chē)的開(kāi)關(guān)箱中有母線濾波、各負(fù)載的配電及過(guò)流熔斷保護(hù)等功能設(shè)備。

圖2 智軌電車(chē)牽引系統(tǒng)高壓主回路Fig. 2 High voltage main circuit of the traction system for autonomous-rail rapid tram

3 輔助電源系統(tǒng)

輔助電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中輔助逆變器（DC/AC）為列車(chē)1~6軸的無(wú)軌導(dǎo)向電控液壓電機(jī)、轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)和制動(dòng)風(fēng)源空壓機(jī)提供三相380 V交流電源；直流充電機(jī)（DC/DC）采用高頻變換為車(chē)輛提供穩(wěn)定的DC 24 V電源，以此作為列車(chē)直流照明、各系統(tǒng)控制回路以及車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)和通信設(shè)備的直流電源，同時(shí)為DC 24 V控制蓄電池組充電。

圖3 智軌電車(chē)輔助電源系統(tǒng)拓?fù)銯ig. 3 Topology of the auxiliary power supply system for autonomous-rail rapid tram

司機(jī)在一端開(kāi)車(chē)時(shí)，輔助電源通過(guò)激活信號(hào)為該司機(jī)室的方向助力油泵供電；同時(shí)，根據(jù)各負(fù)載的啟動(dòng)信號(hào)為1~6軸的液壓電機(jī)和空壓機(jī)供電。由于車(chē)輛具有全軸轉(zhuǎn)向特性，在車(chē)輛行車(chē)過(guò)程中出若出現(xiàn)輔助電源供電故障，將導(dǎo)致車(chē)輛失控等嚴(yán)重問(wèn)題，因此，輔助電源的冗余策略就顯得尤為重要。智軌電車(chē)輔助電源系統(tǒng)通過(guò)供電AC模塊及無(wú)軌導(dǎo)向負(fù)載的雙重冗余，保證了車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。該輔助電源系統(tǒng)的冗余主電路如圖4所示。

圖4 輔助電源系統(tǒng)主電路Fig. 4 Main circuit of the auxiliary power supply system

正常行車(chē)時(shí)，每個(gè)負(fù)載均由對(duì)應(yīng)的AC模塊完成供電；同時(shí)，在負(fù)載母線上設(shè)置冗余擴(kuò)展接觸器KM3和KM4，使得整車(chē)的每個(gè)負(fù)載均能通過(guò)冗余擴(kuò)展供電接觸器分別由對(duì)應(yīng)的2個(gè)AC模塊供電，實(shí)現(xiàn)冗余供電。此外，每個(gè)模塊的無(wú)軌導(dǎo)向液壓電機(jī)通過(guò)共用一個(gè)蓄能器實(shí)現(xiàn)液壓電機(jī)的冗余；整車(chē)的風(fēng)源管路的全貫通，也實(shí)現(xiàn)了兩端空壓機(jī)的負(fù)載冗余；整車(chē)DC 24 V電源則通過(guò)輔助電源的內(nèi)部?jī)蒁C模塊（DC/DC）并聯(lián)與整車(chē)的貫通線實(shí)現(xiàn)雙冗余。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中提供動(dòng)力源。由于智軌電車(chē)采用首末站充電方式，途中不架設(shè)接觸網(wǎng)，為保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能及充放電功率能滿(mǎn)足車(chē)輛的續(xù)駛里程和運(yùn)營(yíng)的間隔距離要求，智軌電車(chē)采用了一種高能量、快充型磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能裝備，其基本參數(shù)如表4所示。

表4 智軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要參數(shù)Tab. 4 Main parameters of the energy storage system for autonomous-rail rapid tram

列車(chē)每個(gè)模塊均配置一個(gè)電池組，通過(guò)電池高壓箱并聯(lián)后給車(chē)輛供電。系統(tǒng)配有電池管理系統(tǒng)，儲(chǔ)能電池的各項(xiàng)信息能通過(guò)車(chē)輛控制診斷系統(tǒng)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)任意一個(gè)電池組發(fā)生故障時(shí)，能通過(guò)電池高壓箱中的并聯(lián)接觸器斷開(kāi)故障支路，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的冗余供電。儲(chǔ)能系統(tǒng)具備槍充及受電弓充電兩種方式。在正線運(yùn)營(yíng)時(shí)，列車(chē)在充電站通過(guò)受電弓大電流充電，能達(dá)到充電10 min至少行駛25 km的能力；在庫(kù)內(nèi)檢修維護(hù)時(shí)，通過(guò)槍充方式對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)電，槍充遵循國(guó)標(biāo)GB/T 18487.1—2015 《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》中的充電模式4要求，單槍充最大電流250 A。

電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要功能包括：電池單體電壓的檢測(cè)、電池溫度的檢測(cè)、電池組支路工作電流的檢測(cè)、電池組參數(shù)（SOC，SOH和SOP）的估測(cè)、電池故障分析與在線報(bào)警、各箱電池一致性評(píng)價(jià)、與車(chē)載設(shè)備/充電機(jī)和后臺(tái)監(jiān)控通信、數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)庫(kù)管理、絕緣檢測(cè)及報(bào)警、電池電壓均衡、電池?zé)峁芾砑盎馂?zāi)檢測(cè)自動(dòng)報(bào)警等功能[2]。

5 永磁同步電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)

智軌電車(chē)牽引系統(tǒng)采用高效節(jié)能永磁同步電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)，其主要由受電弓、高壓箱、電機(jī)控制器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、牽引電機(jī)及三相接觸器盒等裝置組成[3]。

5.1 牽引特性

參照車(chē)輛動(dòng)力性能要求，根據(jù)動(dòng)力學(xué)中驅(qū)動(dòng)力與各種行駛阻力平衡方程[4]計(jì)算其列車(chē)牽引力：

式中：Ttq——電機(jī)轉(zhuǎn)矩；ig——變速箱減速比（本車(chē)因無(wú)變速箱，取值為1）；ηT——機(jī)械傳動(dòng)效率，本文ηT=0.93；r——滾動(dòng)半徑，本文r=0.446 m；f——滾阻系數(shù)，本文f=0.016；G——整車(chē)受到的重力；α——坡道角度；CD——風(fēng)阻系數(shù)，本文CD=0.8；A——迎風(fēng)面積，本文A=7.5 m2；Ua——車(chē)輛實(shí)時(shí)行駛車(chē)速；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，本文δ=1.04；m——整車(chē)質(zhì)量；du/dt——車(chē)輛實(shí)時(shí)加速度。

車(chē)輛在不同速度、不同坡道下對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩Ttq和功率P計(jì)算公式如下：

式中：Ff——行駛阻力；Fw——空氣阻力；Fi——坡度阻力；io——主減速比，本文io=7.385。

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算，當(dāng)雙電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax為 6 000 N·m，最大功率Pmax為520 kW，并保持電機(jī)自然特性轉(zhuǎn)速起點(diǎn)位于3 074.48 r/min（對(duì)應(yīng)70 km/h車(chē)速的電機(jī)轉(zhuǎn)速）之后時(shí)，滿(mǎn)足平均加速度性能（0~40 km/h時(shí)，平均加速度≥1 m/s2；0~70 km/h時(shí)，平均加速度≥0.7 m/s2）及最大爬坡能力10%的要求。平直道、新輪工況下車(chē)輛的牽引特性曲線見(jiàn)圖5。

圖5 智軌電車(chē)牽引/電制動(dòng)特性曲線Fig. 5 Traction / electric braking characteristic curves of autonomous-rail rapid tram

5.2 電制動(dòng)特性

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，車(chē)輛在AW3載荷、平直軌道（干燥、清潔）和額定電壓工況下由70 km/h減速到0的時(shí)間為17.65 s，其中恒功率制動(dòng)區(qū)（電機(jī)轉(zhuǎn)速3 074.48~822.9 r/min）減速時(shí)間為15.11 s，恒轉(zhuǎn)矩制動(dòng)區(qū)（電機(jī)轉(zhuǎn)速822.9 r/min~0）的減速時(shí)間為2.54 s，滿(mǎn)足車(chē)輛最大電制動(dòng)要求（70 km/h~0的平均減速度≥1.1 m/s2）。車(chē)輛電制動(dòng)特性曲線見(jiàn)圖5。

列車(chē)制動(dòng)原則為：制動(dòng)時(shí)優(yōu)先使用電制動(dòng)，電制動(dòng)不足部分自動(dòng)由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。常用制動(dòng)為純電制動(dòng)至5 km/h（根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整）；同時(shí)根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的回充功率，在電池電壓較高的區(qū)域進(jìn)行電制動(dòng)能力的限制，避免電池過(guò)沖引起系統(tǒng)故障。儲(chǔ)能系統(tǒng)回饋充電限制電流見(jiàn)圖6。

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)回饋充電電流限制Fig. 6 Feedback charging current limit for the energy storage system

5.3 故障運(yùn)行能力核算

參照車(chē)輛故障能力要求，根據(jù)式（1），車(chē)輛在AW0載荷和正線100‰最大坡道狀態(tài)下，以20 km/h速度運(yùn)行時(shí)牽引系統(tǒng)性能如下：

車(chē)輛在AW3載荷和正線平直道路工況下，以20 km/h速度啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，牽引系統(tǒng)滿(mǎn)足以下性能：

計(jì)算結(jié)果表明，滿(mǎn)足5.1節(jié)中牽引特性需求的雙電機(jī)能同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)輛故障運(yùn)行能力的要求。

5.4 牽引系統(tǒng)主電路

智軌電車(chē)牽引系統(tǒng)主要包含4個(gè)關(guān)鍵單元：電機(jī)控制器、牽引電機(jī)、水冷系統(tǒng)和三相接觸器盒。鋰電池通過(guò)高壓箱提供 DC 600 V 直流電給電機(jī)控制器，再變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電。當(dāng)電池電壓在500~750 V之間變化時(shí)，牽引系統(tǒng)均能正常進(jìn)行牽引預(yù)備、牽引邏輯、制動(dòng)邏輯等功能，并滿(mǎn)足列車(chē)牽引/制動(dòng)性能，其工作流程如圖7所示。為減小體積和質(zhì)量，電機(jī)及電機(jī)控制器采用水冷方式。電機(jī)控制器輸出端設(shè)置的三相接觸器用于系統(tǒng)故障時(shí)隔離永磁牽引電機(jī)。

圖7 智軌電車(chē)牽引流程Fig. 7 Traction fl ow of autonomous-rail rapid tram

當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)能在緊急牽引模式下實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的牽引，同時(shí)能完現(xiàn)對(duì)自身水冷系統(tǒng)的控制。緊急牽引模式下，牽引系統(tǒng)將不進(jìn)行電制動(dòng)，整車(chē)制動(dòng)由氣制動(dòng)執(zhí)行。牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表5所示，電機(jī)控制器主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表5 牽引電機(jī)主要參數(shù)Tab. 5 Main parameters of the traction motor

表6 電機(jī)控制器主要參數(shù)Tab. 6 Main parameters of the PMSM controller

6 系統(tǒng)特點(diǎn)

智軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用綠色環(huán)保的磷酸鐵鋰作為動(dòng)力電池。磷酸鐵鋰電池具備能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、充放電平臺(tái)穩(wěn)定、安全性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，使得智軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度大于140 W·h/kg，大約是超級(jí)電容器的15倍左右；其熱失控溫度達(dá)到500 ℃以上，相對(duì)于軌道交通常用的儲(chǔ)能模式超級(jí)電容器，在能量密度、體積、成本方面均具有較大優(yōu)勢(shì)[5]；同時(shí)，由于智軌電車(chē)的“無(wú)軌”特性，高能量密度的磷酸鐵鋰電池帶來(lái)的長(zhǎng)續(xù)航里程使得智軌電車(chē)并不局限于現(xiàn)有道路的特點(diǎn)，能更好地發(fā)揮其性能，能夠更靈活地應(yīng)用。

車(chē)輛輔助電源系統(tǒng)在輕量化與高可靠性方面都有一定的提升。由于主電路與車(chē)體間的隔離，取消了隔離變壓器，直流電流輸入直接由DC/AC模塊進(jìn)行三相逆變、濾波。同時(shí)，Mc車(chē)的單臺(tái)輔助電源內(nèi)部能進(jìn)行冗余擴(kuò)展供電，減少了整車(chē)器件數(shù)量并縮短了冗余供電的時(shí)間，單個(gè)AC模塊故障時(shí)的擴(kuò)展冗余供電能在300 ms以?xún)?nèi)完成。

智軌電車(chē)所采用的永磁牽引系統(tǒng)相對(duì)于異步牽引系統(tǒng)，在牽引性能上具備多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[1]。永磁牽引系統(tǒng)相對(duì)異步牽引系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)是節(jié)能，其綜合節(jié)能指標(biāo)達(dá)到30%以上[6]；其次，永磁牽引電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，特別是零速過(guò)載能力強(qiáng)，有利于列車(chē)重載坡道啟動(dòng)；最后，永磁電機(jī)由于諧波相對(duì)異步電機(jī)較小，且采用全封閉水冷結(jié)構(gòu)，其在噪聲方面性能也遠(yuǎn)優(yōu)于異步牽引系統(tǒng)。

智軌電車(chē)采用高性能矢量控制策略[7-8]，低速段采用異步SVPWM調(diào)制技術(shù)、中速段采用同步調(diào)制技術(shù)、高速段采用方波控制技術(shù)。在低速段，可充分利用IGBT的高開(kāi)關(guān)頻率特性（開(kāi)關(guān)頻率固定為2 000 Hz）來(lái)降低電機(jī)電流諧波；隨著轉(zhuǎn)速升高，在電機(jī)中速區(qū)，由于開(kāi)關(guān)頻率受限，采用同步調(diào)制技術(shù)可以保證輸出電壓脈沖對(duì)稱(chēng)，同樣可以減少電機(jī)電流諧波,且輸出電壓開(kāi)關(guān)頻率與電機(jī)的運(yùn)行頻率保持嚴(yán)格的整數(shù)倍關(guān)系，依次為9分頻、7分頻和5分頻；當(dāng)電機(jī)處于高速區(qū)時(shí)，則采用方波控制技術(shù)，相對(duì)于普通的SVPWM調(diào)制，方波控制技術(shù)可以提高變流器的輸出電壓利用率10%，這樣可以提高牽引系統(tǒng)的恒功率區(qū)域。智軌電車(chē)矢量控制策略如圖8所示。

圖8 智軌電車(chē)永磁電機(jī)控制策略Fig. 8 Control strategy of the PMSM for autonomous-rail rapid tram

7 結(jié)語(yǔ)

智軌電車(chē)牽引系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首次自主研發(fā)，目前已在株洲、宜賓、永修等地運(yùn)行的列車(chē)上進(jìn)行了載客運(yùn)營(yíng)考核，累計(jì)運(yùn)行里程已經(jīng)超過(guò)20萬(wàn)km。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，該牽引系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定可靠，經(jīng)受住了不同工況的考驗(yàn)，適應(yīng)了無(wú)接觸網(wǎng)供電和首末站充電的運(yùn)營(yíng)方式，運(yùn)行情況良好；同時(shí)，還在2019年順利通過(guò)了哈爾濱-20 ℃低溫環(huán)境與卡塔爾50 ℃高溫環(huán)境的試運(yùn)行考驗(yàn)。