智軌快運(yùn)系統(tǒng)供電方式對比分析

張洪彬　蔣小晴　粟愛軍　吳雄韜　陳信春

摘? ?要：智軌快運(yùn)系統(tǒng)是中車株洲所于2017年6月推出的一種新型跨界創(chuàng)新的中運(yùn)量軌道交通制式。智軌電車作為智軌快運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)載工具，其充電站設(shè)于線路首末站，首末站區(qū)間僅由儲能電池為電車供能。本文通過對比現(xiàn)有傳統(tǒng)路面軌道交通供電方式，結(jié)合智軌電車及其運(yùn)營線路特點(diǎn)，分析了智軌快運(yùn)系統(tǒng)供電方式需求，并介紹了其車載儲能系統(tǒng)及地面供電系統(tǒng)，最后得出車載儲能+首末站充電形式是智軌快運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)營最具性價(jià)比的選擇。

關(guān)鍵詞：智軌快運(yùn)系統(tǒng)? 智軌電車? 供電方式? 車載儲能系統(tǒng)

中圖分類號：U284? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0029-03

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，在解決大城市公共交通密度補(bǔ)充及中小城市骨干交通網(wǎng)絡(luò)組建方面，中運(yùn)量軌道交通日漸表現(xiàn)出其優(yōu)勢。軌道交通供電方式存在多種選擇。車載配置儲能系統(tǒng)、地面設(shè)置快速充電的運(yùn)營模式，既能保證線路運(yùn)營效率，又能兼顧良好的城市景觀、綠色環(huán)保[1]。智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)即采用該模式。

本文首先對市面上主流車載儲能載體及其配套充電方式進(jìn)行了對比，然后依據(jù)市區(qū)內(nèi)運(yùn)營線路及智軌電車特點(diǎn)對供電方式進(jìn)行了需求分析，最后從需求出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了智軌車載儲能及地面供電系統(tǒng)。

1? 車載儲能載體及配套充電方式對比

有軌電車屬于傳統(tǒng)路面軌道交通制式，其自誕生到發(fā)展至今已經(jīng)歷了百年有余?，F(xiàn)代有軌電車供電方式目前存在走行供電和車載儲能+站點(diǎn)補(bǔ)充式供電。

1.1 走行供電

走行供電方式主要有架空接觸網(wǎng)供電和第三軌供電，表1示出兩者比較。

1.2 車載儲能+站點(diǎn)補(bǔ)充

車載儲能+站點(diǎn)補(bǔ)充供電方式下，車輛區(qū)間運(yùn)行時(shí)由儲能系統(tǒng)供能;車輛到達(dá)充電站點(diǎn)后完成補(bǔ)電工作。車載儲能方式目前有氫燃料電池、超級電容、鋰離子電池等。氫燃料電池式車輛續(xù)航能力較強(qiáng)，補(bǔ)氫在加氫站進(jìn)行，單列車配備6個(gè)140L儲氫瓶，補(bǔ)氫3min可續(xù)航100 km;超級電容式車輛充電一般采用每站充或隔站充方式[2];鋰離子儲能動力電池通過提高車輛續(xù)航，可一定程度減少沿線供電系統(tǒng)成本投入，充電方式采用升弓充電或插槍充電。表2示出該類充電方式比較。

車載儲能電池主流鋰離子電池材料有三元鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰等。其中三元鋰電池能量密度最高（220kWh/kg以上），但熱穩(wěn)定性較差，充放電倍率較低（1C左右），應(yīng)用以乘用車為主;鈦酸鋰電池充放電倍率最高（充電可達(dá)5C，放電可達(dá)10C），熱穩(wěn)定性最好，但能量密度低（60～85 kWh/kg），應(yīng)用以高鐵、電力機(jī)車等軌道交通為主，這些交通制式已有架空線網(wǎng)，車載儲能系統(tǒng)無長距離續(xù)航需求;磷酸鐵鋰能量密度適中（135～185kWh/kg），充放電倍率適中（2～5C），安全性能好，應(yīng)用以城市公共交通等商用車型為主。

現(xiàn)已投運(yùn)的儲能電池式有軌電車，儲能系統(tǒng)多為混合式（超級電容+鈦酸鋰電池），其目的在于通過提高車輛續(xù)航，適應(yīng)某些站點(diǎn)區(qū)間較長的運(yùn)營線路。該供電方式下，線路配車數(shù)僅需考慮線路長度、旅行速度、發(fā)車間隔等因素，無需另行考慮首末站車輛充電時(shí)間帶來的影響。但其地面供電系統(tǒng)仍需每站或隔站設(shè)置充電裝置，仍涉及較多充電設(shè)備及線纜敷設(shè)成本投入。

單純由儲能電池為車輛在全線區(qū)間內(nèi)運(yùn)行供能的方式，目前多應(yīng)用于公交客車及乘用車領(lǐng)域[3]，尚未在有軌電車領(lǐng)域有工程實(shí)例。其重要原因在于有軌電車行駛需借助物理軌道，運(yùn)行路徑受限。若有軌電車采用純儲能電池驅(qū)動，首末站充電方式，其在首末站停站時(shí)間延長，且隨之增加了車輛進(jìn)出首末充電站的道閘設(shè)計(jì)難度。

2? 智軌系統(tǒng)運(yùn)營線路供電需求分析

智軌快運(yùn)系統(tǒng)作為一種跨界創(chuàng)新的新型中運(yùn)量城市公共交通制式，兼具了軌道交通快速準(zhǔn)點(diǎn)、運(yùn)量大和傳統(tǒng)公交運(yùn)營靈活特點(diǎn)，其運(yùn)營線路及供電方式的選擇脫離了物理軌道限制。根據(jù)上述分析，可選用車載配備鋰離子儲能電池，首末站設(shè)置充電站的供電方式。

鋰電池電化學(xué)模型對輸入電流較敏感，在車載電池充電過程中，BMS需與充電機(jī)保持實(shí)時(shí)通信以根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整充電參數(shù)。車輛配備儲能電池時(shí)，其充電變流設(shè)備存在2種安裝情況。設(shè)于車載時(shí)，地面充電裝置無需建立車地通信，其僅需提供穩(wěn)定電壓源;充電變流設(shè)備設(shè)于地面時(shí)，有利于車輛減重及項(xiàng)目成本降低，但需考慮BMS充電階段實(shí)時(shí)交互的車地通信需求。

智軌電車通過仿真計(jì)算及實(shí)際線路測試，三遍組模式下的智軌電車，其線路運(yùn)行綜合平均電耗為2.2～3.5 kWh/km。城市市區(qū)內(nèi)運(yùn)營線路通常在20km以內(nèi)，于是對于該類運(yùn)營線路，車輛單向運(yùn)行電耗范圍44～70 kWh。

對于智軌車載儲能電池，其續(xù)航能力在電量從100%運(yùn)行消耗至30%時(shí)，需至少滿足電車在20 km線路往返一次。地面充電系統(tǒng)輸出充電功率需大于所配備儲能電池充電功率，充電變流設(shè)備需具備車地交互功能。鑒于智軌電車可雙向行駛特點(diǎn)，充電設(shè)備直流輸出端還需具備正負(fù)極性切換功能。

由以上需求分析可得智軌車載儲能電池能量需大于：

假設(shè)智軌系統(tǒng)線路運(yùn)營發(fā)車間距為15 min，則在線路配車數(shù)充足，單個(gè)首末充電站設(shè)置T型雙充電位條件下，單列電車在充電位可停留充電時(shí)間（包括充電準(zhǔn)備時(shí)間和實(shí)際充電時(shí)間）為30min，則儲能電池快速充電功率至少需達(dá)到：。則地面充電系統(tǒng)輸出功率需大于400kW。

3? 智軌系統(tǒng)儲能充電方案

基于續(xù)航、減重及降低成本等方面的考慮，智軌充電系統(tǒng)選擇快充式磷酸鐵鋰電池作為其車載儲能系統(tǒng)，在線路首末站設(shè)置快速充電站，同時(shí)充電變流功能移至地面充電系統(tǒng)，且充電設(shè)備直流輸出配備正負(fù)雙極性充電軌。該模式亦為滿足智軌快運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)營要求性價(jià)比最優(yōu)的選擇。

3.1 智軌電車儲能系統(tǒng)方案

上述需求分析中的計(jì)算依據(jù)為智軌電車在20km線路上行駛往返所耗能量，若線路首末站均設(shè)置T型充電站以供電車運(yùn)行單程補(bǔ)電，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況縮減充電時(shí)間，以提高發(fā)車密度或減少線路配車。智軌電池儲能電池基本參數(shù)見表3。

3.2 智軌快運(yùn)系統(tǒng)快速充電系統(tǒng)

快速充電系統(tǒng)由一體化預(yù)裝式箱式變電站（簡稱“箱變”）、雙極性充電軌、地面定位識別裝置及無線通信系統(tǒng)構(gòu)成。路中設(shè)置快速充電系統(tǒng)T型充電站，包含2個(gè)充電位，可供2列智軌車輛同時(shí)充電。圖1示出箱式變電站關(guān)聯(lián)關(guān)系。

單臺箱變總?cè)萘繛?000kVA，從兩路獨(dú)立10kV環(huán)網(wǎng)取電。箱變變壓器次邊繞組有3繞組，2路充電繞組，1路低壓配電繞組。單路充電繞組輸出最大功率900kW;配電繞組輸出最大功率200kW，包含臨近站臺用電及箱變自用電;非首末站臺直接引入AC380V市電。箱變高低壓側(cè)基本參數(shù)見表4、表5。

充電站定位系統(tǒng)包含射頻卡（安裝于2車頭）、射頻接收機(jī)及定位地磁（安裝于充電站）。車輛到站后，接收機(jī)識別射頻卡內(nèi)車輛IP地址，整合接收機(jī)自身綁定的充電位IP地址得到定位信息，目標(biāo)地址及源地址進(jìn)行握手，車地?zé)o線通信鏈路完成建立。

充電機(jī)變流器與車載動力電池BMS采用無線通信鏈路進(jìn)行充電信息交互，交互內(nèi)容依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930-2015 《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》。

隔離開關(guān)柜內(nèi)配備極性轉(zhuǎn)換功能。車輛在每次升弓觸軌時(shí)可能會切換正負(fù)極性。隔離柜輸出端配有電壓互感器，可在弓軌接觸后采集車載電池電壓，并自動配置直流輸出極性，最后輸出滿足電池BMS要求的直流電能至充電軌。

4? 結(jié)語

智軌快運(yùn)系統(tǒng)作為一種新型中運(yùn)量軌道交通制式，為解決城市公共交通問題提供了一種新選擇[4]。本文通過對比主流車載儲能載體及其配套充電方式，基于智軌電車及其運(yùn)營線路特點(diǎn)，分析了車載儲能及地面快充系統(tǒng)功能、性能需求，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了介紹。綜合而言，車載配備快充儲能電池、首末站設(shè)置快充系統(tǒng)的模式對智軌快運(yùn)系統(tǒng)是最具性價(jià)比的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] 石宏.ART車輛段總平面設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2018（12）： 36-39.

[2] 黃齊來，張維，郭志奇.車載超級電容儲能式有軌電車的充電軌設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].都市快軌交通，2019，2（32）：132-137.

[3] 張卓杰，劉家棟，李亙，等.現(xiàn)代智能無軌電車與傳統(tǒng)BRT的綜合比對分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019（23）：100-102.

[4] 張洪彬，曾妮.智軌電車驚艷亮相北京國際城市軌道交通展[J].城市軌道交通，2018，29（7）：56-57.

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金 公共路權(quán)導(dǎo)向運(yùn)輸系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用示范（項(xiàng)目編號：2018YFB1201605-10）。

作者簡介：張洪彬（1991—），男，漢族，湖南常德人，碩士，工程師，研究方向：軌道交通供電系統(tǒng)。