對(duì)一種基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路分析

劉玥

摘 要：本文主要對(duì)一種基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路進(jìn)行了研究分析，是指根據(jù)儲(chǔ)能元件的不同，其特性也會(huì)存在一定的差異，在軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路中激發(fā)儲(chǔ)能元件不同的性能優(yōu)勢(shì)。這種電路在機(jī)車大功率運(yùn)行的情況下，可以滿足機(jī)車運(yùn)行的功率需求;在再生制動(dòng)的情況下，可以符合能量吸收的要求;在續(xù)航里程的情況下，可以滿足機(jī)車的能量需求。本文首先對(duì)基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行了闡述，然后對(duì)基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路的工作模式進(jìn)行了總結(jié)，希望可以為基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路的正常運(yùn)行提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;儲(chǔ)能元件;軌道交通

現(xiàn)階段，在軌道交通車輛中，是采取電網(wǎng)受流的方式，這樣在通過(guò)無(wú)電區(qū)的時(shí)候，不能激發(fā)自身的牽引力，在軌道交通車輛采取內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)的情況下，在駛?cè)胨淼乐?，需要?yán)格控制廢氣的排放，通過(guò)運(yùn)用車載儲(chǔ)能動(dòng)力的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的方式，不僅可以在無(wú)電區(qū)中進(jìn)行低效運(yùn)行，同時(shí)還可以解決隧道內(nèi)污染排放的問(wèn)題。目前在儲(chǔ)能元件中，主要包括了蓄電池和超級(jí)電容等等，蓄電池主要分為鉛酸電池、堿性電池、鋰電池等等，通常情況下，采用鋰電池作為機(jī)車的動(dòng)力蓄電池，其原因是能量密度和功率密度較大。對(duì)于超級(jí)電容器而言，屬于一種新型的電容器，其具備的功率密度較大。在純電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力車輛中，鋰電池的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但是在運(yùn)用大電流充放電方式的情況下，不僅會(huì)影響鋰電池的使用壽命，同時(shí)會(huì)影響鋰電池的運(yùn)行效率。對(duì)于超級(jí)電容器而言，可以快速進(jìn)行大功率充放電。在能量密度較低的情況下，無(wú)法獨(dú)立完成車載儲(chǔ)能元件的任務(wù)。因此，在解決軌道交通動(dòng)力驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的過(guò)程中，最有效的方案為將超級(jí)電容與鋰電池進(jìn)行結(jié)合。

1 基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)與原理

基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路主要的組成部分包括了防反二極管、充電機(jī)、鋰電池、超級(jí)電容、輔助逆變器、牽引變流器、DC/DC變流器、主變壓器、接觸器=11-K03、=11-K01、=11-K02、整流器、牽引電機(jī)、高度斷路器^[1]。

在輸電電壓方面，鋰電池與超級(jí)電容進(jìn)行比較的情況下，其存在的差距較大，在鋰電池與超級(jí)電容進(jìn)行組合的過(guò)程中，是通過(guò)運(yùn)用DC/DC變流器（其中DC/DC變流器的工作原理為Buck-Boost（升降壓）電路），對(duì)DC/DC變流器的控制，可以處以降壓或者升壓的狀態(tài)，從而在鋰電池和超級(jí)電容之間，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸^[2]。對(duì)于超級(jí)電容，在直接與直流母線進(jìn)行連接的情況下，可以對(duì)機(jī)車功率的需求進(jìn)行快速響應(yīng)，例如，在對(duì)機(jī)車再生制動(dòng)進(jìn)行即時(shí)吸收的過(guò)程中，會(huì)存在回饋的能量，在機(jī)車處于牽引階段的情況，會(huì)釋放這種能量，然后對(duì)于再生制動(dòng)的能力，可以得到高效的回收利用，同時(shí)還可以在直流母線電壓中發(fā)揮穩(wěn)定的作用。在機(jī)車處于大功率牽引運(yùn)行的情況下，或者超級(jí)電容能量即將耗盡或充滿時(shí)，鋰電池可以通過(guò)DC/DC變流器，吸收揮著補(bǔ)充超級(jí)電容的能量，通過(guò)自身具備能量密度大的特性，可以滿足機(jī)車?yán)m(xù)航里程的需求，同時(shí)還可以有效的避免出現(xiàn)鋰電池直接向直流母線大電流充放電的情況，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。在DC/DC變流器中，主要負(fù)責(zé)的工作為儲(chǔ)能動(dòng)力包的功率以及能量管理，同時(shí)還可以對(duì)超級(jí)電容與鋰電池之間的能量傳輸現(xiàn)象進(jìn)行合理調(diào)整，因此DC/DC變流器在儲(chǔ)能動(dòng)力包充放電控制中發(fā)揮著重要的作用^[3]。在超級(jí)電容與機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊的過(guò)程中，是通過(guò)運(yùn)用CAN總線，而在鋰電池與機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊的過(guò)程中，是通過(guò)運(yùn)用DC/DC變流器。在DC/DC變流器運(yùn)行的過(guò)程中，是根據(jù)設(shè)定的工作模式執(zhí)行條件，判斷供電電源的方式，是將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換為超級(jí)電容電壓，還是將超級(jí)電容電壓轉(zhuǎn)換為鋰電池電壓，從而可以給車上的其他負(fù)載設(shè)備進(jìn)行供電。

2 基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路工作模式

在基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)中，其中供電模式包括了兩種：電網(wǎng)模式和儲(chǔ)能動(dòng)力包模式^[4]。具體如下：

2.1 電網(wǎng)模式

在機(jī)車供電模式為電網(wǎng)模式的情況下，其電網(wǎng)電流通過(guò)主變壓器和整流器之后，會(huì)進(jìn)入到機(jī)車中間的直流回路，這時(shí)對(duì)于接觸器=11-K01，會(huì)處于閉合的狀態(tài)，并且高度斷路器的狀態(tài)為閉合，而接觸器接觸器=11-K02斷開(kāi)的狀態(tài)為斷開(kāi)，而電流通過(guò)牽引變流器，會(huì)轉(zhuǎn)化為三相交流電，然后讓機(jī)車的牽引電機(jī)進(jìn)行供電工作。同時(shí)，接觸器=11-K03的狀態(tài)為閉合，然后由輔助逆變器通過(guò)充電機(jī)之后，會(huì)向儲(chǔ)能動(dòng)力進(jìn)行充電，另外，對(duì)于輔助逆變器而言，會(huì)向個(gè)輔助負(fù)載進(jìn)行供電。在此情況下，充電機(jī)會(huì)向超級(jí)電容進(jìn)行充電，而超級(jí)電容通過(guò)DC/DC變流器之后，會(huì)向鋰電池進(jìn)行充電。在機(jī)車處于再生制動(dòng)的情況，那么牽引電機(jī)會(huì)產(chǎn)生一定的回饋能量，在通過(guò)牽引變流器之后，會(huì)經(jīng)過(guò)輔助逆變器以及充電機(jī)，向儲(chǔ)能動(dòng)力包進(jìn)行充電，同時(shí)通過(guò)輔助逆變器的利用，可以向輔助負(fù)載進(jìn)行供電^[5]。

2.2 儲(chǔ)能動(dòng)力包模式

在機(jī)車供電模式為儲(chǔ)能動(dòng)力包模式的情況下，那么接觸器=11-K02的狀態(tài)為閉合，而接觸器=11-K01和=11-K03的狀態(tài)為斷開(kāi)，并且高度斷路器的狀態(tài)也為閉合。在儲(chǔ)能動(dòng)力包通過(guò)高速斷路器之后，不僅會(huì)向牽引變流器進(jìn)行供電，同時(shí)還會(huì)向堵住逆變器進(jìn)行供電。在機(jī)車處于小功率牽引的情況下，只僅僅依靠鋰電池，就可以向機(jī)車的運(yùn)行輸出能量。在此情況下，對(duì)于超級(jí)電容的作用，可以穩(wěn)定直流母線的電壓。在機(jī)車功率增加的情況下，例如重載運(yùn)行、爬坡和啟動(dòng)等等，這時(shí)超級(jí)電容和鋰電池，會(huì)共同進(jìn)行放電工作。在機(jī)車再生制動(dòng)的過(guò)程中，其中牽引電機(jī)會(huì)產(chǎn)生一定的回饋能量，在通過(guò)牽引變流器之后，經(jīng)過(guò)輔助逆變器和充電機(jī)，會(huì)向儲(chǔ)能動(dòng)力包進(jìn)行充電工作，通過(guò)通過(guò)利用輔助逆變器，牽引電機(jī)產(chǎn)生的回饋能量輔助負(fù)載進(jìn)行供電工作^[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文基于儲(chǔ)能元件，對(duì)軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路進(jìn)行了闡述，其中具備的特性主要包括了以下幾點(diǎn)：對(duì)于功率型的超級(jí)電容，可以結(jié)合能量型的鋰電池，而鋰電池會(huì)通過(guò)利用DC/DC變流器，與超級(jí)電容進(jìn)行組合，而DC/DC變流器通過(guò)升壓和降壓模式的轉(zhuǎn)變，可以在鋰電池與超級(jí)電容之間，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸工作，這不僅利用了鋰電池能力密度高的特點(diǎn)，并且還根據(jù)超級(jí)電動(dòng)功率密度高的特性。同時(shí)對(duì)于超級(jí)電容而言，在直接與直流母線進(jìn)行連接的情況下，不僅可以快速響應(yīng)機(jī)車的功率需求，還可以對(duì)直流母線電壓起到穩(wěn)定的作用。在基于儲(chǔ)能元件的軌道交通混合動(dòng)力系統(tǒng)電路中，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車在兩種供電模式下工作，分別為儲(chǔ)能動(dòng)力包和電網(wǎng)模式，在機(jī)車通過(guò)無(wú)電區(qū)的時(shí)候，可以充分激發(fā)機(jī)車的大功率牽引力，在機(jī)車運(yùn)行的過(guò)程中，需要對(duì)機(jī)車再生制動(dòng)的能量進(jìn)行回收利用，從而可以保證機(jī)車運(yùn)行的節(jié)能環(huán)保。

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