現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配計(jì)算

王 鑫，孫開(kāi)意

（1. 中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北唐山 063035；2. 鐵科院（北京）工程咨詢(xún)有限公司，北京 100081）

1 概述

現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)作為城市路面新型公共交通制式，與傳統(tǒng)的無(wú)軌電車(chē)及有軌電車(chē)相比，具有智能便捷、安全高效、低碳環(huán)保等特點(diǎn)。由于運(yùn)用環(huán)境不同，現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)的牽引性能計(jì)算和關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)與軌道交通車(chē)輛有所差別。現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)具有頻繁啟動(dòng)、加速、制動(dòng)、停車(chē)、爬坡等特殊性，對(duì)加速度、快速制動(dòng)、爬坡能力有很高的要求，而其性能在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵部件組成的動(dòng)力系統(tǒng)。為滿(mǎn)足不同工況下的牽引性能和續(xù)駛里程等要求，使現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)的動(dòng)力性能得到更好地發(fā)揮，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池本身性能參數(shù)的選擇至關(guān)重要，本文基于車(chē)輛性能需求進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)核心部件架構(gòu)設(shè)計(jì)和性能參數(shù)計(jì)算。

2 動(dòng)力系統(tǒng)配置

本文研究的現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)采用3模塊編組方式，并通過(guò)鉸接模塊進(jìn)行車(chē)輛連接。動(dòng)力系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要包含動(dòng)力電池、配電單元（PDU）、動(dòng)力總成控制模塊（PCM）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（MCU）和輪轂電機(jī)。動(dòng)力電池輸出的直流電源，經(jīng)配電單元（PDU）內(nèi)部預(yù)充電電路完成預(yù)充電后，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行直 -交電源轉(zhuǎn)換來(lái)驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)，PCM負(fù)責(zé)根據(jù)列車(chē)控制信號(hào)對(duì)4臺(tái)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)組成框圖

現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)與現(xiàn)代有軌電車(chē)相比較，在結(jié)構(gòu)方面的區(qū)別是有軌電車(chē)采用鋼輪鋼軌，其走行部為轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架上經(jīng)過(guò)齒輪箱調(diào)整后驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而無(wú)軌列車(chē)采用橡膠輪結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)。現(xiàn)代無(wú)軌電車(chē)采用動(dòng)力分散方式，根據(jù)動(dòng)力性能和冗余性要求配置牽引逆變器和牽引電機(jī)。

2.1 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池安裝在Tc車(chē)頂部，為整車(chē)提供電源?，F(xiàn)有車(chē)輛應(yīng)用的蓄電池種類(lèi)包括鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池等。其中，鉛酸電池技術(shù)成熟，具有成本低廉、安全性高、支持大電流放電等特點(diǎn)，但其能量密度低、循環(huán)壽命短的特性無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)軌列車(chē)?yán)m(xù)駛里程的需求。鎳氫電池和鋰電池目前在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池應(yīng)用中技術(shù)成熟，但鎳氫電池也存在單體電壓低、自放電損耗大、對(duì)環(huán)境溫度敏感等方面的不足，而鋰電池具有能量密度高、充電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此在電動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。幾種常見(jiàn)動(dòng)力電池的性能參數(shù)對(duì)比如表1所示，磷酸鐵鋰電池具有安全環(huán)保、成本低等優(yōu)勢(shì)，最終選用其作為現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)的動(dòng)力電池。

表1 動(dòng)力電池的性能參數(shù)比較

2.2 配電單元

由于鉸接模塊安裝空間有限，將PDU安裝在Tc車(chē)車(chē)頂，PDU內(nèi)配置2組預(yù)充電單元，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行預(yù)充電。配電單元箱內(nèi)同時(shí)配置逆變模塊和直流電源轉(zhuǎn)換模塊，用于列車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)冷卻等交流負(fù)載供電和控制等直流負(fù)載供電。

2.3 動(dòng)力總成控制模塊

PCM安裝在中間T車(chē)車(chē)內(nèi)，負(fù)責(zé)所有與傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的功能，如PDU控制、輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制、制動(dòng)系統(tǒng)的相互作用、保護(hù)和限制、安全隱患的檢測(cè)和控制、動(dòng)態(tài)限速等；并且通過(guò)列車(chē)CAN-J1939通信網(wǎng)絡(luò)與整車(chē)控制器、電池管理系統(tǒng)等其他車(chē)輛系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)。PCM可以協(xié)調(diào)控制2臺(tái)配電單元和4臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制器，PCM與PDU之間有低壓控制接口，可以控制PDU內(nèi)部的高壓接觸器，并對(duì)接觸器的狀態(tài)和高壓供電進(jìn)行診斷。加速踏板作為PCM的輸入，用于調(diào)節(jié)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)力總成控制模塊PCM的通信與低壓連接如圖2所示。

圖2 PCM通信與低壓連接框圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

MCU是一種高壓逆變器，它將動(dòng)力電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)在制動(dòng)工況下，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，將產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成直流電，為動(dòng)力電池進(jìn)行充電，增加續(xù)駛里程。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配備有溫度、電壓、電流和位置傳感器。

為保證車(chē)輛具有大的轉(zhuǎn)彎半徑，中間鉸接模塊作為動(dòng)力車(chē)，其車(chē)下空間較小，因此將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與輪轂電機(jī)集成安裝。

2.5 輪轂電機(jī)

輪轂電機(jī)具有傳動(dòng)效率高、控制靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)。目前輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式有2種，現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)采用直接驅(qū)動(dòng)方式的輪轂電機(jī)，其定子固定在副車(chē)架上，轉(zhuǎn)子連接到輪輞上，輪輞連接到輪胎上，無(wú)需安裝減速機(jī)構(gòu)，這樣所有的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛沒(méi)有任何傳動(dòng)損失，簧下重量也有所降低。

永磁同步電機(jī)較直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有效率高、功率密度高、可靠性好的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子式的輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)，定子中的損耗所產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)出去，導(dǎo)致輪轂電機(jī)的內(nèi)部溫度變高。過(guò)高的溫度會(huì)影響電機(jī)性能，電機(jī)過(guò)熱影響電機(jī)的使用壽命，同時(shí)增加運(yùn)行故障的風(fēng)險(xiǎn)，因此采用循環(huán)水冷的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組的冷卻。

3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 整車(chē)性能要求

現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)基本參數(shù)與性能指標(biāo)要求如表2和表 3所示。

表2 整車(chē)基本參數(shù)

表3 性能指標(biāo)

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算

現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本參數(shù)主要是根據(jù)整車(chē)加速性能、爬坡性能、最高車(chē)速性能要求來(lái)確定，包括峰值功率、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩以及最大轉(zhuǎn)矩。

3.2.1 峰值功率和額定功率計(jì)算

列車(chē)在最大車(chē)速Vmax下直線(xiàn)行駛時(shí)所需的最大功率P1通過(guò)公式（1）可以求出。

式（1）中，P1為以最高車(chē)速行駛消耗的功率，kW；Vmax為最高車(chē)速，km/h；ηT為傳動(dòng)效率；m為列車(chē)質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為車(chē)輛迎風(fēng)面積，m2。

爬坡功率是車(chē)輛以恒定速度爬坡時(shí)的最大功率，由公式（2）可以求出。

式（2）中，P2為車(chē)輛以恒定的速度爬坡時(shí)要求的電機(jī)峰值功率，kW；V為爬坡車(chē)速，km/h，此處取20 km/h；ηT為傳動(dòng)效率；m為列車(chē)質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為車(chē)輛迎風(fēng)面積，m2；αmax為最大爬坡，αmax= arctani，i為最大爬坡度。

車(chē)輛在加速行駛的過(guò)程中，電機(jī)在最末的一刻得到最大功率，由公式（3）可以求出。

式（3）中，P3為加速狀態(tài)下車(chē)輛電機(jī)的峰值功率，kW；Va為加速末速度，km/h，此處取50 km/h；ηT為傳動(dòng)效率；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為列車(chē)質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為車(chē)輛迎風(fēng)面積，m2。

由式（1）～式（3）可以求出P1= 172.05 kW，P2= 416.40 kW，P3= 384.11 kW。依據(jù)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，當(dāng)車(chē)輛以最高車(chē)速行駛時(shí)，電機(jī)的最大功率Pmax必須符合車(chē)輛功率需求P1，并且滿(mǎn)足爬坡、加速狀態(tài)下的功率P2、P3，即Pmax≥ max{P1，P2，P3}，因此Pmax= 416.40 kW。

現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)共設(shè)置4臺(tái)輪轂電機(jī)，因此每臺(tái)電機(jī)峰值功率應(yīng)不低于104.10 kW，取110 kW作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率。按照目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性，額定功率為峰值功率的1/3～1/2，取55 kW。

3.2.2 最高轉(zhuǎn)速計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速由車(chē)輛的最高車(chē)速?zèng)Q定，即：

式（4）中，nmax為最高轉(zhuǎn)速，r/min；umax為最高車(chē)速，km/h；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑，m。按照公式（4）計(jì)算得到nmax= 411.92 r/min，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不低于411.92 r/min。

3.2.3 最高轉(zhuǎn)矩計(jì)算

對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置的最大驅(qū)動(dòng)力一般發(fā)生在車(chē)輛最大爬坡工況，同時(shí)考慮在爬坡時(shí)，沒(méi)有額外的加速工況，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)矩可按照公式（5）進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算可得列車(chē)在啟動(dòng)爬坡時(shí)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為33 746.32 N · m，對(duì)應(yīng)每臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩不低于Tmax= 8 436.58 N · m。

3.2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合目前成熟應(yīng)用產(chǎn)品情況，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型的主要參數(shù)如表4所示。

表4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)

3.3 動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)需要考慮電池能量和最大輸出功率，確保動(dòng)力性能與續(xù)駛里程。動(dòng)力電池的匹配與勻速續(xù)駛里程要求有關(guān)，即電池在額定容量條件下，在良好路面上勻速行駛時(shí)能夠行駛的距離，續(xù)駛里程按照公式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式（6）中，W為動(dòng)力電池總能量，kW · h；S為續(xù)駛里程，km；v為平均車(chē)速，km/h；Pd為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率，kW；Pa為輔助供電系統(tǒng)功率，kW。

按照表3性能指標(biāo)要求，以勻速40 km/h行駛續(xù)駛里程不低于80 km，按照公式（1）可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率Pd= 86.69 kW，列車(chē)最大輔助供電系統(tǒng)功率Pa= 79.52 kW，因此可計(jì)算出動(dòng)力電池總能量為W= 332.41 kW · h，每臺(tái)動(dòng)力電池的能量不低于166.21 kW · h。

根據(jù)計(jì)算的動(dòng)力電池所需能量以及成熟應(yīng)用產(chǎn)品情況，蓄電池主要參數(shù)如表5所示。

表5 動(dòng)力電池主要參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)作為綠色環(huán)保的中低運(yùn)量交通工具，可適應(yīng)的路權(quán)形式更廣，具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)，在當(dāng)今城市發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以三模塊無(wú)軌列車(chē)為例對(duì)動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)控制器和輪轂電機(jī)組成的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行介紹，依據(jù)整車(chē)性能指標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算方面進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，根據(jù)計(jì)算所得參數(shù)結(jié)果，對(duì)無(wú)軌列車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池進(jìn)行選型。此方法可為不同模塊數(shù)量及動(dòng)力源配置的現(xiàn)代無(wú)軌列車(chē)提供動(dòng)力系統(tǒng)選型計(jì)算的參考。