面向不同站間距的無網(wǎng)受流列車運(yùn)行能量分析

張建敏， 閆 愿， 郝文美

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，唐山 064000；2.北京理工大學(xué) 電動(dòng)車輛國(guó)家工程研究中心，北京 100081)

隨著城市交通的不斷發(fā)展，環(huán)境友好的城市軌道交通車輛成為城市綜合交通發(fā)展戰(zhàn)略框架中的重要組成部分.然而，目前使用的架空接觸網(wǎng)的供電方式存在著摩擦電火花，景觀性較差等諸多弊端.而感應(yīng)電能傳輸(Inductive Power Transfer，IPT)技術(shù)是將電能以非接觸的方式從供電電源傳遞給用電負(fù)載，具有安全、可靠、供電靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此，感應(yīng)電能傳輸技術(shù)大功率化并應(yīng)用于城市軌道交通已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外近幾年研究的焦點(diǎn).

IPT技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域時(shí)，列車全線無接觸網(wǎng)，而由于路權(quán)占用及線路適應(yīng)性問題，無線供電系統(tǒng)無法全線鋪設(shè)，脫線路段的存在就要求車輛必須自帶車載儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)能量供給，車輛停站無線充電實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)充，車載儲(chǔ)能滿足站間能量消耗.在這樣的前提下，站間距、車載儲(chǔ)能、無線充電功率與充電時(shí)間彼此相互影響，因此，基于不同站間距的運(yùn)行工況明確運(yùn)行能量是無網(wǎng)受流列車的穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵.目前，已經(jīng)有了諸多學(xué)者進(jìn)行了能量策略的研究，主要可分為3個(gè)研究方向：基于實(shí)時(shí)檢測(cè)車速、車載電池的荷電狀態(tài)、駕駛員需求功率和此時(shí)汽車的工作模式(牽引或制動(dòng))等變量進(jìn)行能量的控制[1-5]；對(duì)燃料電池混合動(dòng)力汽車進(jìn)行了研究，其動(dòng)力源有燃料電池、蓄電池及超級(jí)電容，分別提供負(fù)載功率中的低頻部分、中頻段功率及高頻部分[6-9]；基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[10-13]、模糊控制[14-15]等優(yōu)化方法，將車輛需求功率和動(dòng)力電池的能量狀態(tài)作為參數(shù)輸入，發(fā)電機(jī)的輸出功率為參數(shù)輸出，實(shí)現(xiàn)了整車的能量分配，有效地提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，并使動(dòng)力電池始終保持在高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行.

文中以100%低地板城軌列車為基礎(chǔ)，對(duì)無網(wǎng)受流列車運(yùn)行過程中的能量流動(dòng)情況進(jìn)行分析，根據(jù)車輛在線行駛段及脫線行駛段的能耗情況，計(jì)算得到無線充電功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)配比及車輛脫線比.并基于不同的站間距進(jìn)行算例分析，明確不同站間距運(yùn)行情況下車輛的能量流動(dòng)、儲(chǔ)能容量及充電功率需求.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無接觸網(wǎng)供電城軌車輛動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，直流母線電壓通過高頻逆變器轉(zhuǎn)換為高頻交流電，再通過感應(yīng)供電的方式傳遞給副邊線圈，提供車輛動(dòng)力驅(qū)動(dòng)需要的能量并向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電.

圖1 無接觸網(wǎng)供電城軌車輛動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)提供的供電功率PW基本保持恒定，穩(wěn)定向車輛提供能量.車載儲(chǔ)能系統(tǒng)需承擔(dān)峰值功率，吸收制動(dòng)回饋能量并通過無線充電補(bǔ)充自身能量.因此，無線電能傳輸及儲(chǔ)能系統(tǒng)提供車輛運(yùn)行過程中所需的全部能耗，以保證車輛的加速、制動(dòng)、恒速運(yùn)行、脫網(wǎng)運(yùn)行及一些彎道、坡道等特殊路況造成的車輛附加能耗.能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其功能如圖2所示.

圖2 能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及供能

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，無接觸網(wǎng)供電城軌車輛能量管理策略的設(shè)計(jì)原則為：以無網(wǎng)受流供電為主，儲(chǔ)能系統(tǒng)為輔，兩者峰值功率的疊加要大于車輛最大消耗功率.因此，無網(wǎng)受流功率及儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量配比須由車輛能耗情況進(jìn)行綜合分析.

2 能量管理

車輛正常運(yùn)行過程中可以分為3個(gè)階段，牽引啟動(dòng)階段，以最大行駛速度恒速運(yùn)行階段，減速制動(dòng)階段.列車牽引制動(dòng)特性曲線示意如圖3所示.

圖3 列車牽引制動(dòng)特性曲線示意

2.1 啟動(dòng)階段

城市軌道交通車輛牽引啟動(dòng)階段可分為3部分，分別為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性區(qū).當(dāng)城軌車輛處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí)，列車的轉(zhuǎn)矩即牽引力保持不變，為與列車速度無關(guān)的一個(gè)常數(shù)；處于恒功率區(qū)時(shí)，輸出的牽引功率保持恒定，車輛的牽引力與運(yùn)行速度成反比，最大牽引功率出現(xiàn)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到恒功率區(qū)開始時(shí)刻，此后以最大牽引功率維持一段時(shí)間，在這個(gè)階段儲(chǔ)能系統(tǒng)要求放電功率達(dá)到最大；當(dāng)車輛處于自然特性區(qū)域，車輛牽引力與列車運(yùn)行速度平方的乘積為一常數(shù)，啟動(dòng)階段功率要求較高，需由儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充峰值功率，結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 啟動(dòng)階段能量配比

忽略附加阻力，列車啟動(dòng)過程中所需系統(tǒng)提供的能量為啟動(dòng)阻力耗能、基本阻力耗能、車輛動(dòng)能增量這3項(xiàng)之和[7]，即

E=EFq+EFj+Ek，

(1)

式中：EFq為啟動(dòng)阻力耗能；EFj為基本阻力耗能；Ek為動(dòng)能增量.

啟動(dòng)階段需要儲(chǔ)能系統(tǒng)提供能量支持，考慮到轉(zhuǎn)換效率和充沛裕量，儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量要大于車輛牽引運(yùn)行時(shí)總的能量消耗，即Esc>E.

2.2 制動(dòng)階段

當(dāng)列車準(zhǔn)備進(jìn)站停車時(shí)，牽引電機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，回饋能量.列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)階段可分為兩部分，自然特性區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，自然特性方式制動(dòng)時(shí)，車輛制動(dòng)力與列車速度平方乘積為一個(gè)常數(shù)；進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩制動(dòng)階段后，再生制動(dòng)功率隨著車速減小逐漸到零，制動(dòng)功率最大發(fā)生在制動(dòng)階段恒轉(zhuǎn)矩剛開始時(shí)刻[8].

忽略附加阻力，列車在制動(dòng)過程中，車輛無需通過無網(wǎng)受流獲取電能，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能回饋至儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)能量飽和后，再生制動(dòng)將自動(dòng)切換為電阻制動(dòng)，將再生到直流電路的能量通過電阻變成熱能消耗掉，使直流母線電壓保持在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 制動(dòng)階段能量配比

列車制動(dòng)過程中回饋能量為動(dòng)能轉(zhuǎn)化的電能，減去制動(dòng)過程中的基本阻力消耗，即

E=Ek-EFj，

(2)

式中：EFj為基本阻力耗能；Ek為動(dòng)能轉(zhuǎn)化為的電能.

為避免電阻上的能量耗散，提高系統(tǒng)效率，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)盡可能吸收全部的制動(dòng)回饋能量，即Esc>E.

2.3 恒速階段

由于建設(shè)條件、道路情況等限制，必然存在有些路段無法鋪設(shè)非接觸電能傳輸裝置，因此，車輛恒速狀態(tài)可分為在線行駛及脫線行駛.車輛在線行駛時(shí)，無網(wǎng)受流需提供車輛牽引能耗，并向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，以滿足脫線行駛需要；脫線行駛時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)需提供車輛運(yùn)行所需的全部能耗，結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 恒速階段能量配比

車輛正常運(yùn)行過程中存在的阻力分為基本阻力和附加阻力，基本阻力是車輛在任何情況下都存在的阻力，主要包括軸承阻力、滾動(dòng)阻力、滑動(dòng)阻力、沖擊振動(dòng)阻力和空氣阻力這5個(gè)部分.而附加阻力只在運(yùn)行特殊情況才產(chǎn)生.基本阻力公式為

Fj=a+bv+cv2，

(3)

式中：Fj為輛運(yùn)行的基本阻力，kN；a，b，c為阻力系數(shù)，其中，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取a=2.59，b=0.092，c=0.001；v為車輛的運(yùn)行速度，km/h.

車輛進(jìn)入恒速運(yùn)行過程后，其速度基本保持不變，牽引力主要是克服此時(shí)列車運(yùn)行的基本阻力.當(dāng)車輛以平均車速va行駛下每公里平均能耗Qa為

(4)

此時(shí)，無網(wǎng)受流提供能量為

(5)

在線行駛時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)每公里可獲得

(6)

車輛在線以平均速度行駛時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充得的可用能量為

E=L*QCS.

(7)

式中：L為在線行駛距離.

因此，車輛脫線后可行駛的距離為

(8)

可得無網(wǎng)受流功率Pw與車輛在線行駛距離L與脫線行駛距離D的關(guān)系如圖7所示.

圖7 無網(wǎng)受流功率Pw，在線距離L與脫線距離D的三維關(guān)系圖

由圖像可以看出，隨著脫線行駛線路長(zhǎng)度的增加，對(duì)無網(wǎng)受流功率的要求也會(huì)相應(yīng)變大，因此，可以根據(jù)線路情況選擇合適的功率，也可以根據(jù)功率對(duì)可行駛的線路條件及車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量進(jìn)行約束.

假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為Esc，由于電壓及放電深度的限制，車輛理論最大脫線行駛里程Dmax為

(9)

式中：λ為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電深度.

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3 算例分析

無接觸網(wǎng)供電城軌列車采用100%低地板車為試驗(yàn)車型，車輛基本參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)如表1所示.

表1 無接觸網(wǎng)供電城軌車輛基本運(yùn)行參數(shù)

表2 不同站間距耗能

仿真得到列車牽引特性結(jié)果如圖8～10所示.

圖8 接觸網(wǎng)電流曲線

圖9和10的仿真工況：AW2車輛數(shù)量為4；傳動(dòng)比為6.29；輪徑(半磨耗)為0.57 m.

圖9 列車牽引啟動(dòng)階段牽動(dòng)或阻力與加速度的仿真結(jié)果

3.1 車輛運(yùn)行耗能計(jì)算

針對(duì)列車圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行站間2 km運(yùn)行耗能計(jì)算：

(1)啟動(dòng)階段

1)恒轉(zhuǎn)矩(0～40 km/h)

2)恒功率(40～50 km/h)

綜上，啟動(dòng)階段運(yùn)行時(shí)間為T1=18.1 s，運(yùn)行距離為S1=X1+X2+X3=205 m，耗能為W啟=W1+W2+W3=5.7 kWh.

(2)制動(dòng)階段

此時(shí)車輛動(dòng)能W動(dòng)= mv2=0.5×76.7×103×19.442=14 474.09 kJ=4.02 kWh.

1)恒功率(70-45 km/h)

圖10 列車制動(dòng)階段電制動(dòng)力與電制動(dòng)減速度的仿真結(jié)果

2)恒轉(zhuǎn)矩(45-0 km/h)

由圖10減速度基本不變，取值a5=1.05 m/s2，則恒功率減速階段時(shí)間為t5=45/3.6/1.05=11.9 s，行駛距離為X5=1/2×1.05×11.92=74.35 m，由圖8可知此階段電流基本呈線性減少，取均值為650 A，電壓選擇825 V，由此可得再生制動(dòng)能量為W5=650×825×11.9=6 381.375 kJ=1.77 kWh.

綜上，制動(dòng)階段運(yùn)行時(shí)間為T2=17.24 s，運(yùn)行距離為S2=X4+X5=159.6 m，再生制動(dòng)能量為W制=W4+W5=3.36 kWh.此階段輔助耗能0.34 kWh.

(3)勻速階段

綜上，整個(gè)2 km的站間運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，運(yùn)行時(shí)間T=18.1+17.24+84.1=119.44 s，輔助耗能為W輔=72×119.44/3 600=2.4 kWh，所以最后總能耗為W=5.7+3.95+2.4=12.05 kWh，再生制動(dòng)能量為3.36 kWh，總的耗能為8.69 kWh.因此，根據(jù)不同的站間距可以得到不同的站間距下的能耗分析如下.

上表所示為正常運(yùn)行狀況之下的能耗計(jì)算數(shù)據(jù)，若按照惰性工況，啟動(dòng)加速至額定速度后，取消牽引與制動(dòng)，讓列車依靠慣性且僅在阻力作用下運(yùn)行，能耗會(huì)更少，可是惰性點(diǎn)比較難掌控.

對(duì)于鋰電池，若采用常規(guī)充電方式，將電池充滿需要7到8 個(gè)小時(shí)，車輛進(jìn)出始發(fā)站的間隔至多一小時(shí)，不可能停留這么長(zhǎng)時(shí)間；而快速充電在充電樁上，采用2 C到3 C的充電電流可以在半小時(shí)之內(nèi)將電池充進(jìn)80%的電量，但是大電流充電會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，對(duì)電池有一定損傷[2].所以采用鋰電池與超級(jí)電容一起供能，在終點(diǎn)站給鋰電池充電的方式不現(xiàn)實(shí)，鋰電池只能做備分使用，比如某幾站的站間距大于平均站間距時(shí)或某一站的充電樁發(fā)生故障時(shí)使用，而站間全部采用超級(jí)電容充電.

3.2 超級(jí)電容容量配置與計(jì)算

(1)超級(jí)電容基本參數(shù)

超級(jí)電容器組是采用美國(guó)Maxwell公司生產(chǎn)的BMOD0063P125B04/B08模組，單體為2.7 V/3000 F.該模組集成度較高，模組自帶散熱系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)，對(duì)于車輛供電系統(tǒng)應(yīng)用來講比較合適.基本參數(shù)見表3.

表3 超級(jí)電容器模組基本參數(shù)

根據(jù)車輛500～900 V的電壓要求，取8個(gè)125 V/63 F超級(jí)電容器模組，通過串聯(lián)的方式組成的超級(jí)電容器組，電容儲(chǔ)能原系統(tǒng)參數(shù)見表4.

表4 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)

(2)超級(jí)電容容量配置

由超級(jí)電容組參數(shù)可知，此超級(jí)電容系統(tǒng)的電壓下限制為Wlow=31.5×36×200/3.6×106=0.063 kWh，占總存儲(chǔ)量的6.3%.因此，超級(jí)電容可釋放自身存儲(chǔ)量90%左右的能量.

由于所給車輛逆變器所能承受的電壓范圍為500～900 V，而改變車輛牽引變流器工程較大，改變了無線充電適配于現(xiàn)有列車的初衷，所以，保持直流側(cè)電壓波動(dòng)范圍在500～900 V為合理的方案.由超級(jí)電容的容量WC=1/2CU2可知，超級(jí)電容的電壓被限制，則所提供的能量及配置也將受到限制.

考慮額定電壓1 000 V的情況，超級(jí)電容的電壓由900 V降至500 V，容量應(yīng)對(duì)應(yīng)從81%降至下限值25%，中間釋放的容量對(duì)應(yīng)為累計(jì)牽引能量(不包含再生能量)，則可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的總?cè)萘?可總結(jié)能量流如圖11所示.

圖11 超級(jí)電容充放電流程

根據(jù)文中表2的不同站間距能耗計(jì)算及超級(jí)電容器模組的數(shù)據(jù)，對(duì)超級(jí)電容模組的輸出要求需達(dá)到電壓>900 V，電流>2 100 A，得到超級(jí)電容的容量要求如表5所示.

表5 超級(jí)電容容量配置

根據(jù)上表所得的不同站間距所得的超級(jí)電容器的尺寸、重量數(shù)據(jù)，選取1 200 m為最大站間距比較合理，選用8×16串并結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容模塊組合，理論額定電壓1 000 V，額定電流可達(dá)到3 200 A.對(duì)應(yīng)超級(jí)電容模組的重量為8.16噸，總體體積約為9.3立方米.

3.3 無線充電功率計(jì)算

綜合前文的分析，根據(jù)不同的充電時(shí)長(zhǎng)與不同的站間距需要，得到表6充電功率，均以90%做為充電效率.

表6 充電功率計(jì)算

此表格中，①充電功率只以耗能進(jìn)行計(jì)算，未考慮超級(jí)電容充電時(shí)電壓變化帶來的充電功率的變化.以恒流充電計(jì)算，電壓波動(dòng)從500～900 V的情況，無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大充電功率應(yīng)比上述計(jì)算功率高約30%.②此計(jì)算僅考慮無坡道、彎道的理想狀態(tài)計(jì)算，這些因素也會(huì)影響最終功率計(jì)算，使得能耗增加，進(jìn)而要求充電功率進(jìn)一步加大.③目前列車計(jì)算中，未計(jì)算超級(jí)電容及無線充電功率拾取側(cè)設(shè)備造成的列車質(zhì)量的增加，加上這部分后，列車質(zhì)量會(huì)增加10噸左右，損耗也會(huì)成比例增加10%以上.綜合考慮，無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率應(yīng)比表格中的計(jì)算功率高約50%.參考超級(jí)電容設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，選用1 200 m為最大站間距，理想站間充電能量為5.93 kWh，對(duì)應(yīng)45秒充電時(shí)間(仿真實(shí)例為610/14=44秒)，按充電效率90%計(jì)，充電功率為527 kW，考慮實(shí)際應(yīng)用功率高50%的情況，靜態(tài)充電功率應(yīng)選800 kW.

4 結(jié) 論

文中針對(duì)無網(wǎng)受流列車實(shí)際應(yīng)用過程中的運(yùn)行能耗分析及各環(huán)節(jié)能量配置問題，首先基于無接觸網(wǎng)供電城軌車輛動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，明確了能量管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及供能方向.接著結(jié)合列車牽引制動(dòng)特性曲線，分析了啟動(dòng)階段、制動(dòng)階段及恒速階段能量配比及運(yùn)行脫線比.最后以100%低地板車作為分析對(duì)象，結(jié)合車輛實(shí)際牽引制動(dòng)仿真曲線對(duì)車輛各階段運(yùn)行能耗進(jìn)行計(jì)算，在不同站間距能耗的基礎(chǔ)上，結(jié)合超級(jí)電容模塊參數(shù)及放電特性，提出1 200 m的最大站間距要求，并基于此，選擇了8×16串并結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容模塊組合及800 kW的無線充電功率要求.文中提出的容量匹配方法及儲(chǔ)能設(shè)計(jì)流程，為無網(wǎng)受流列車的實(shí)際應(yīng)用及站間規(guī)劃提供良好基礎(chǔ)及理論指導(dǎo).