現(xiàn)代有軌電車受電靴儲能系統(tǒng)研發(fā)及應用

孫 冰，高洪光，武杰文，張立臣

（中車大連機車車輛有限公司， 遼寧大連116022）

優(yōu)先發(fā)展公交系統(tǒng)，是中國城市交通的發(fā)展方向?，F(xiàn)代有軌電車交通系統(tǒng)是軌道交通和市區(qū)道路相結(jié)合的、承擔著主要的公交職能的中等運能的交通方式［1］，具有安全環(huán)保、設計新穎、環(huán)境友好、可靠性高、快捷舒適、運量中等、成本低廉等特點，是一種高性價比的交通選擇［2］。

傳統(tǒng)有軌電車采用架空接觸網(wǎng)供電，接觸網(wǎng)影響城市整齊劃一的景觀要求，這自然地促進了現(xiàn)代有軌電車新型供電技術的發(fā)展，即地面供電技術，由地面供電模塊給列車供電，鋪設方案可與城市融為一體，使有軌電車線路、站臺的設計更具有藝術性。

地面供電技術由地面供電模塊、車輛受流系統(tǒng)、變電所保護系統(tǒng)等組成，地面供電模塊鋪設于走行軌中間位置，有軌電車下部裝有受電靴，通過地面供電模塊接觸受流，地面供電模塊供電區(qū)域均位于車輛受電靴下部，供電部分被車體覆蓋，外部的人員和動物接觸不到供電部分，安全性得到了保障。

地面供電技術在運用過程中仍存在一些技術難題［3］。文中討論的是采用地面供電技術的現(xiàn)代有軌電車項目中，保證有軌電車與地面供電模塊互相匹配，形成車地一體化作用的關鍵技術，即現(xiàn)代有軌電車受電靴儲能電容系統(tǒng)的研發(fā)以及應用［4］。

1 車地匹配問題

1.1 地面供電模塊

地面供電由鋪設于兩條軌道中間部位的若干個地面供電模塊連接組成的，橫截面如圖1 所示。

圖1 地面供電模塊布置示意

采用自然重力與磁力特性，有軌電車轉(zhuǎn)向架下安裝的受電靴與地面模塊內(nèi)的柔性導電排都安裝有磁性材料，當車輛行駛至地面供電模塊處，受電靴下方的磁鐵將模塊內(nèi)的柔性金屬帶吸起，模塊內(nèi)的柔性導電排受磁力吸起而上抬，地面供電模塊表面鋼板通過C 型鋼板與供電電源正極連通，模塊表面鋼板帶電，受電靴通過與模塊表面接觸將電能引入車輛內(nèi)，原理如圖2 所示。

當車輛受電靴離開當前地面供電模塊表面后，模塊內(nèi)的柔性導電排受自然重力作用，回落到模塊內(nèi)部最低處，模塊表面鋼板通過C 型鋼板與安全負極相連通，模塊表面失電，并可保證該地面供電模塊表面與安全負極相連，確保安全，原理如圖3所示。

圖2 地面供電模塊供電狀態(tài)示意圖

圖3 地面供電模塊非供電狀態(tài)示意圖

1.2 車輛受流系統(tǒng)

地面供電模塊相配合的車載受流系統(tǒng)，其主要部件包括受電靴、液壓控制系統(tǒng)、保護裝置等部分，來配合完成由地面供電系統(tǒng)輸出的電能傳輸?shù)秸囉秒娫O備。受電靴前后端配備有排障器，能夠清除大部分障礙物，受電靴下方配備有蓋板，當受電靴收起不用時，蓋板閉合，位置正處于受電靴永磁體下方，蓋板內(nèi)含導磁材料，保證磁路封閉于蓋板內(nèi)部，防止吸附其他磁性廢物，能夠起到保護受電靴的作用，受電靴的收起狀態(tài)和降下狀態(tài)如圖4、圖5 所示。

有軌電車車體兩端模塊的下方安裝有受電靴，地面供電方式時，車輛內(nèi)部，司機室內(nèi)的開關控制液壓系統(tǒng)降下受電靴，受電靴底座與地面供電模塊相接觸，底座內(nèi)部安裝有永磁鐵組和帶彈簧的電刷，電刷通過跳線連接到車輛系統(tǒng)。底座是地面供電模塊和有軌電車受電靴接觸的地方，位于受電靴最底部，通過其中永磁體將地面供電模塊當中的柔性接觸帶吸上來，使柔性接觸帶連接電源正極，同時連接正極鋼板通過C 型板將電流傳輸?shù)绞茈娧ド厦?，從而達到為整車提供電能的作用。通過負極電刷和模塊之間的負極鋼板接觸回流。

受電靴與地面供電模塊正負極鋼板接觸導入電源供車輛運行。受電靴由支架、排障器、護蓋和底座組成。底座由正負極電刷、強力磁鐵、導電桿和底座容器組成。蓋板、排障器與支架分別以液壓缸操作，設計理念采用導向安全設計，即無法動作就恢復原狀［5］。

圖4 受電靴收起狀態(tài)

圖5 受電靴降下狀態(tài)

1.3 地面供電模塊與受電靴匹配

受電靴與地面供電模塊是接近剛性的配合，地面供電模塊表面的少量沙土、雜物等不可避免的影響了受電靴受電狀況，即車輛處于牽引工況時，會發(fā)生受電靴瞬間離線情況，車輛會瞬時失去供電，導致車輛運行瞬間頓挫，影響車輛的運行質(zhì)量和乘坐的舒適性，同時，由于線路電感及車輛電抗器存在，在車輛大電流牽引的情況下，瞬間失電導致電流的變化率di/dt值很大，由公式：

可知，極大的電流變化產(chǎn)生極大過電壓，導致車輛內(nèi)部的電子器件和控制板卡被擊穿或者燒損，增加了車輛維護維修的成本，降低了運營和服務的質(zhì)量。車輛運行中，用示波器采集到的車輛電壓波形如圖6 所示，波形不連續(xù)，會出現(xiàn)瞬時供電中斷。

圖6 受電靴電壓波形

地面供電模塊的鋪設并不是連續(xù)無縫的，在軌道道岔處、公路路口段以及發(fā)生故障的模塊處均可為無電區(qū)，車輛通過以上幾類區(qū)域時，需要另外供電，保證車輛順利通過，并保證電壓穩(wěn)定。

1.4 解決方法分析

地面供電模塊與車輛受電靴需緊密配合工作，在地面供電無電區(qū)處，以及供受電狀況不良時，就需要額外的供電瞬時投入，保證受電靴與地面供電相兼容。

為了穩(wěn)定車輛的供電電壓，在車輛主回路供電輸入（受電靴）側(cè)可以并聯(lián)增加受電靴電容器，實現(xiàn)輸入電壓穩(wěn)定，具體的電容參數(shù)需要通過計算確定。受電靴電容器的作用是穩(wěn)定車輛輸入電壓，并且維持車輛牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)工作一定的時間，同時電容狀態(tài)還可以反映出車輛受流狀態(tài)，當車輛通過地面供電系統(tǒng)受流不良時，控制系統(tǒng)應能切換使車載儲能供電系統(tǒng)投入工作，為車輛持續(xù)供電。當車輛通過無電區(qū)或者車輛受流狀態(tài)良好時，控制系統(tǒng)應能切換使車載儲能供電系統(tǒng)退出工作，并且逐漸控制完成受電靴電容器及車載儲能系統(tǒng)的充電。

2 受電靴儲能電容系統(tǒng)設計

2.1 總體設計方案

受電靴儲能電容及其管理系統(tǒng)總體設計方案如圖7 所示，由受電靴電容、充放電控制器、控制微機、顯示屏、雙向DC 變換器、牽引超級電容模塊等部件組成。受電靴電容通過充放電控制器并聯(lián)于車輛供電輸入側(cè)，顯示屏作為該系統(tǒng)的人機界面，可以顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及運行記錄，可以對系統(tǒng)進行設置和操作等，控制微機通過控制充放電控制器完成對受電靴電容的充放電控制，同時可以檢測受電靴電容的工作狀態(tài)來反映車輛受電狀態(tài)，此外還可以根據(jù)需要控制車載儲能供電系統(tǒng)的投切。

圖7 受電靴儲能電容及其管理系統(tǒng)總體設計方案

2.2 受電靴儲能電容系統(tǒng)電路原理設計

根據(jù)圖7 受電靴儲能電容及其管理系統(tǒng)總體設計方案的思路，開展技術設計，提出了受電靴儲能電容系統(tǒng)電路原理，如圖8 所示，說明見表1 所示，系統(tǒng)中顯示屏為人機界面，實時顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，維護人員或者司機可以實時通過顯示屏對系統(tǒng)進行操作控制，實現(xiàn)一系列的功能。系統(tǒng)每日初次投入運用時，由有軌電車主斷路器后網(wǎng)側(cè)電壓傳感器V2 檢測有軌電車輸入電壓，控制微機會控制系統(tǒng)主開關MC 閉合給受電靴電容充電至與網(wǎng)壓相等的電壓值，同時通過雙向DC 變換器給牽引超級電容模塊充電至額定值，當現(xiàn)代有軌電車行駛至地面無電區(qū)時，首先由受電靴電容來支撐車輛牽引系統(tǒng)輸入電壓的穩(wěn)定，隨后由微機控制雙向DC 變換器啟動牽引超級電容模塊為車輛提供電能。

圖8 受電靴儲能電容系統(tǒng)電路原理

表1 原理圖代號說明

2.3 受電靴儲能電容系統(tǒng)部件選型設計

2.3.1 受電靴電容設計

受電靴電容需要瞬時補充車輛牽引功率，且工作頻率高，能量交換頻繁且較大，超級電容器具有快速充放電的優(yōu)點，并且隨著充放次數(shù)的增加不會導致容量衰減，大功率大電流放電能力超強，能量損失小，過程發(fā)熱損耗少，功率密度大，能量密度中等優(yōu)點，選定超級電容作為受電靴電容和牽引超級電容模塊的基礎器件。

受電靴電容容量的確定首先應考慮其供電能力和續(xù)航能力，同時也應可解決瞬時性失壓故障。經(jīng)實測，現(xiàn)代有軌電車運行能耗曲線如圖9 所示，選取有軌電車大電流持續(xù)牽引工況下一段波形，持續(xù)時間6.2 s，此工況下網(wǎng)壓約為770 V，峰值牽引電流627.33 A，計算6.2 s 大牽引電流工況下的能耗約為0.66 kW·h，牽引峰值瞬時功率約為483 kW。

有軌電車在受電靴失壓后約5 s 后可以轉(zhuǎn)換啟動牽引超級電容為車輛提供電能，但是在這5 s 內(nèi)需要受電靴電容支撐車輛的運行供電，若剛好遇到大電流牽引的工況，則受電靴電容需要儲存足夠的能量和功率來支撐有軌電車的用電需求。

根據(jù)地面供電系統(tǒng)技術條件，選定超級電容額定電壓應為900 V，受電靴電容儲存電能至少應為0.66 kW·h（EC1=0.66 kW·h），根據(jù)電容能量計算公式：

計算所得受電靴電容容量C1=5.87 F。

功率儲能元件選型，確定的超級電容單體的主要參數(shù)是2.7 V，650 F。超級電容器單元334 個串聯(lián)連接以獲得電壓900 V、1.95 F 超級電容器模塊。三組額定電容為電壓900 V、容量為1.95 F 的電容并聯(lián)。獲得額定電壓為900 V 且額定電容為5.85 F 的超級電容器組作為受電靴電容器。

超級電容單體最大工作電流為600 A，超級電容組最大電流可達1 800 A，遠超過峰值牽引電流627.33 A 的有軌電車需求，因此受電靴電容的功率密度可以滿足有軌電車瞬時大電流牽引的需求。

圖9 運行能耗曲線圖

2.3.2 牽引超級電容模塊設計

（1）牽引超級電容模塊

有軌電車長時間行駛于長距離的地面無電區(qū)段時，受電靴超級電容電壓會持續(xù)下降，受電靴超級電容可反映車輛供電狀態(tài)，通過控制系統(tǒng)進行檢測目前的地面供電區(qū)段是否在為有軌電車供電［6］。

在長距離無電區(qū)中，控制微機發(fā)出控制信號，使雙向DC 變換器和牽引超級電容模塊投入車輛供電狀態(tài)，為有軌電車提供牽引能量，在此工況下，有軌電車需要跨越至少2 個車站區(qū)間。

（2）車載儲能能量

根據(jù)車輛的空間、軸重等要求，預先開展牽引超級電容模塊、雙向DC 變換器設計，設計了兩組牽引超級電容模塊，每一牽引超級電容模塊由83 V、300 F 超級電容模組6 串4 并連接而成，每一牽引超級電容模塊額定電壓U2=498 V，容值200 F。

根據(jù)電容能量公式計算每一牽引超級電容模塊可存儲總電量6.889 kW·h。牽引超級電容模塊最低使用電壓為250 V，剩余存儲電量為1.736 kW·h，因此，每一牽引超級電容模塊有效可用電量為5.153 kW·h，兩組牽引超級電容模塊共可存儲有效電量10.306 kW·h。

（3）車輛耗能計算

①常規(guī)運行模式核算

按照AW3載荷工況（車輛自重+所有就坐乘客總重量+9 人/m2下全部站立乘客的總重量，共63.2 t），按照最高運行速度70 km/h，運行中速度達到70 km/h 后保持勻速，車輛進站停車或者在紅綠燈路口停車制動的過程中，車輛優(yōu)先采用電制動，其中車輛動能產(chǎn)生的制動能量80%回收至超級電容系統(tǒng)，由此計算得出：

有軌電車按照既定的運行線路行駛過程中，在上行區(qū)間，車站3～車站4 的運行區(qū)間，車輛從0 加速至70 km/h，保持勻速運行，以70 km/h 速度運行至擬減速線路點時，區(qū)間累計能耗最大7.87 kW·h，超級電容存儲10.306 kW·h，電能可以保證有軌電車通過各區(qū)間，運行耗能計算見表2、表3。

站臺充電，超級電容充滿，最多需補充5.56 kW·h電能，按照雙受電靴供電，每一受電靴500 A 電流計算，充電功率750 kW，充滿電時間需要27 s，即車輛利用停站時間站站充電，最長停車充電時間27 s，可以保證車輛運行需求。

②車站充電故障情況核算

有軌電車行駛過程中，假設某一車站充電設施故障，導致車輛不?？寇囌竞蟛荒艿玫匠潆娧a給能量，有軌電車可以利用超級電容能量，最高限速30 km/h 運行可以連續(xù)通過2 個區(qū)間。

按照最高運行速度30 km/h，運行中速度達到30 km/h 后保持勻速，車輛進站停車或者在紅綠燈路口停車制動的過程中，車輛優(yōu)先采用電制動，其中的車輛動能產(chǎn)生的制動能量80%由車載儲能系統(tǒng)回收，運行耗能計算見表4、表5；

有軌電車按照最高運行速度30 km/h 連續(xù)運行通過2 個區(qū)間，累計能耗最大8.751 kW·h，超級電容存儲10.306 kW·h 電能，可以保證站臺充電設備故障模式有軌電車通過2 個區(qū)間，至下一站臺充電補給能量。

連續(xù)運行通過2 個區(qū)間，有軌電車在第二站臺充電，超級電容充滿，最多需要補充8.751 kW·h 電能，按照雙受電靴供電，每一受電靴500 A 電流計算，充電功率750 kW，充滿電時間需要42 s。

經(jīng)過核算車載儲能電容的能量是滿足車輛牽引運用要求的。

（4）車輛功率需求計算

根據(jù)車輛牽引特性曲線，計算車輛功率需求，有軌電車AW3 工況最大輪周功率為534.7 kW，按照電機效率95%，變流器效率98%核算，車輛輔助功率75 kW，供電側(cè)功率需求為649.3 kW；每組超級電容系統(tǒng)輸出功率最大可以達到350 kW，兩組可以提供700 kW 峰值功率，牽引超級電容模塊滿足車輛牽引和輔助功率需求。

表2 70 km/h 上行區(qū)間能耗表

表3 70 km/h 下行區(qū)間能耗表

（5）牽引超級電容模塊工程設計

車輛配置兩組相同牽引超級電容模塊，有效電量總和8.778 kW·h，單組牽引超級電容模塊具體參數(shù)見表6。

表4 30 km/h 上行區(qū)間能耗表

表5 30 km/h 下行區(qū)間能耗表

表6 牽引超級電容模塊參數(shù)

2.3.3 受電靴電容限流電阻的設計

由于受電靴電容容量很大，在初充電的過程中，在該電路支路中串聯(lián)接入合適的電阻，可以有效的限制充電電流值，當充電接近飽和時，控制接觸器SCC 閉合，PCC 斷開，預充電電路短路，系統(tǒng)正常運行［7］。預充電電路原理如圖10 所示。

預充電電阻參數(shù)的設計，需要考慮電阻自身的溫度漂移和阻值公差，還有電流通過能力，包括整個回路中的大功率元器件的電流大小，充電周期等因素。

根據(jù)預充電電阻的工作過程推導，正常情況下，充電過程中電容電壓公式為式（1）：

其中：τ=R·C

通過預充電電阻的電流公式為式（2）：

正常狀態(tài)下預充電過程中的電阻功率損耗公式為式（3）：

圖10 預充電電路原理

選擇時間常數(shù)t=3τ 作為一個完整的充電周期，電阻損耗也選擇一個充電周期來計算。為了達到限制電流的作用，選定電阻的阻值R=4 Ω，供電系統(tǒng)電壓Us≤900 V，因此，在初充電瞬間，預充電電流應不大于225 A，則應選擇額定電流不小于225 A的電阻R。時間常數(shù)τ=R·C=4×5.87=23.5 s，一個完整的充電周期電阻功率損耗：

電阻瞬時最大功率：

由上述計算結(jié)果，選定電阻參數(shù)應為：R=4 Ω，瞬時功率P=210 kW，一個充電周期（23.5 s）內(nèi)可消耗1.32 kW·h 能量的電阻器。

2.4 系統(tǒng)參數(shù)

受電靴儲能電容系統(tǒng)主要部件技術參數(shù)如下：

（1）受電靴超級電容：

3 樣機試制及應用

基于以上的系統(tǒng)總體方案的研究、系統(tǒng)工作原理、車載儲能能量核算、功率核算，并且根據(jù)提出的設計方案與計算分析等，開展工程化設計，形成了設計施工圖紙、技術文件、試驗大綱等系列技術資料。

在樣機的工程化設計與工藝分析、研制過程中，全方位的將工程實際中對于運營維護的需要納入考慮。安裝位置和設計結(jié)構(gòu)考慮了RAMS 要求，為便于維護人員檢查及保證作業(yè)安全，進行了系統(tǒng)安全放電的功能設計，在車輛段內(nèi)檢修系統(tǒng)相關部件，需預先放掉電容儲存電能，保證操作安全。

受電靴儲能電容系統(tǒng)在有軌電車上進行了試裝車。

（1）受電靴超級電容安裝

受電靴超級電容安裝于有軌電車司機室上方，司機室空調(diào)旁，受電靴超級電容采用密閉式結(jié)構(gòu)，防護等級可達到IP65，適應環(huán)境溫度范圍-25 ℃～65 ℃，如圖11 所示。

（2）限流電阻安裝

根據(jù)車輛的空間，考慮電阻本身的工程防護以及散熱需求，將限流電阻安裝于車頂縱向中心線附近，如圖12 所示。

（3）充放電控制器

充放電控制器安裝于車輛司機室頂部，充放電控制器采用自通風散熱、冷卻結(jié)構(gòu)，防護等級可達到IP65，滿足車輛環(huán)境要求，如圖13 所示。

（4）控制微機

控制微機是系統(tǒng)的管理者，通過采集系統(tǒng)中各部分電壓、電流等模擬量數(shù)據(jù)和開關量信息，通過邏輯運算，完成受電靴電容的充電和放電控制，完成牽引超級電容與雙向DC 變換器的投入、退出控制，實現(xiàn)有軌電車網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定，完成有軌電車多種供電模式的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換控制，實現(xiàn)有軌電車回段后檢修前的安全放電控制功能。控制微機安裝于車輛客室內(nèi)，控制微機的設計便于觀察、操作、檢修和維護，如圖14 所示。

（5）顯示屏

顯示屏安裝于司機室內(nèi)，顯示系統(tǒng)的實時電壓、電流、車輛耗電、系統(tǒng)各主要開關的動作狀態(tài)。目前的車輛供電來源，還可以通過顯示屏操作來完成TCU、TCMS、BCU 等部件的故障復位功能。顯示屏界面簡單易懂，方便司機的觀察和操作，如圖15 所示。

圖11 受電靴超級電容安裝

圖12 限流電阻安裝

圖13 充放電控制器

圖14 控制微機

圖15 顯示屏

4 結(jié) 論

介紹了地面供電系統(tǒng)、地面供電模塊工作原理與車輛受電靴工作原理，通過對地面供電有軌電車運營中產(chǎn)生的受電靴瞬間離線、車輛通過無電區(qū)等應用情況，引出車輛瞬時失壓，車輛運行頓挫，影響車輛的運行質(zhì)量和乘坐舒適性，并且有損壞車輛設備風險的問題，提出了技術解決方案，并依此開展了如下工作：

依據(jù)有軌電車的設計方案，計算了有軌電車功率及運行能耗，完成了受電靴儲能電容及其管理系統(tǒng)總體方案設計，完成了電路原理設計，經(jīng)過計算確定了受電靴電容、牽引超級電容、雙向DC 變換器、受電靴電容限流電阻的參數(shù)和選型。

完成了受電靴儲能電容模塊、牽引超級電容模塊、雙向DC 變換器模塊、受電靴電容限流電阻、充放電控制器、控制微機、顯示屏模塊的工程化設計和試制。

完成了受電靴電容系統(tǒng)的裝車，提高了有軌電車運行的可靠性，大幅降低了故障停運風險，取得良好的應用效果。