100%低地板现代有轨电车混合动力系统研究

孙树鑫 刘 斌 刘晓亮 张 杰

（1.唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心，河北 唐山 063000；2.唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，河北 唐山 063035）

1 概述

在我国，带有超级电容的混合动力系统应用较少，目前还处在起步阶段，近年来在公共交通特别是城市有轨电车中逐渐被应用，但要使其高效、充分发挥效能，仍需要长期的实验摸索和研究，首先我们要加深对混合动力系统了解，通过实验有效控制其充放电参数，进而改变其性能，最终达到双向电源（即斩波器）与蓄电池及超级电容的最优匹配。

2 混合动力系统组成及工作原理

现代城市有轨电车混合动力系统主要由双向DC/DC变换器，超级电容和蓄电池组成。

混合动力系统为双向DC/DC电源系统，当车辆正常运行时，双向斩波器将DC750V网压转换成两路DC480V分别给蓄电池、超级电容充电，当通过无电区时，系统可以将超级电容、蓄电池的电压转换成DC750V的电压回馈车辆牵引及辅助供电系统。由超级电容与蓄电池组成的混合动力系统，使蓄电池比能量大和超级电容器比功率大的特点相结合，无疑大大提高了电力储能装置的性能。超级电容与蓄电池并联使用，可以增强混合电源的负载适应能力，特别是对于大功率脉动负载，超级电容与蓄电池并联混合使用，能够降低蓄电池的内部损耗、延长其放电时间、增加使用寿命，超级电容的存在还可以缩小电源的体积、改善可靠性和经济性。

2.1 DC/DC双向变换器

DC/DC双向变换器有两种工作模式，即正向工作模式和反向工作模式，当电能正向传输时，变换器将DC750V的网压降到DC480V，为混合动力系统蓄电池及超级电容充电；当能量反向传输时，变换器将混合动力系统DC480V的升到DC750V，将电能回馈给车辆牵引及辅助系统，保证车辆正常运行。

2.2 蓄电池

混合动力系统用蓄电池选用锂电池，锂电池具有较高的能量密度，耐充放电，自放电率低、无记忆效应、高低温适应性强等优点，同时锂电池又具备高功率承受能力，便于车辆平时的高强度的启动加速。

2.3 超级电容

尽管混合动力系统采用了锂离子电池组作为车辆通过无电区域的动力电源，但是有轨电车牵引系统对储能系统的能量密度和功率密度要求较高，如果单独采用蓄电池组不能满足车辆在这两方面的要求。

同时，在车辆启动、加速时，电池要经常遭受大放电电流的冲击，电池寿命将因此急剧衰减，如果频繁更换蓄电池，这对成本控制也是一个极大的考验。

另外，蓄电池所需充电时间较长，车辆在制动时产生能量不能及时有效的回收，也是单一使用蓄电池组所存在的重大缺点。

超级电容与锂离子蓄电池联用作为车辆的动力系统，在车辆正常行驶过程中，超级电容提供车辆需要的峰值功率。与此同时，通过DC/DC变换器控制系统，可以实现制动能回收。

另外，超级电容还通过控制系统从蓄电池系统快速充电，并为车辆下一次对峰值功率要求做好准备。因此，可以看出，在混合动力系统中，超级电容的存在减少了蓄电池的功率负荷，避免了大电流冲击蓄电池，延长了蓄电池寿命。

3 充放电实验

图1 蓄电池组充放电实验曲线

蓄电池：采用DC750V电源箱为混合动力系统供电，保持蓄电池充电电流80A，如上图1实验曲线所示，经过32min蓄电池箱充电完成，此时蓄电池组电压接近510V；此时送入牵引信号，负载采用水阻，启动混合动力电源箱蓄电池DC/DC，调节V1端的电压为DC750V，将蓄电池端的电流加到120A持续运行，蓄电池组能够持续放电22mim以上。

超级电容：采用相同电源箱对超级电容进行充电，充电电流300A，经过34s，如上图2实验曲线所示，超级电容达到额定电压450V；送入牵引信号，采用水阻，保持V1端的电压为DC750V，将超级电容端的电流加到700A持续运行，超级电容持续放电25秒以上。

图2 超级电容充放电实验曲线

由以上两个充放电曲线可以看出，蓄电池充电完成瞬间比超级电容充电完成瞬间电压压升大很多，主要原因在于蓄电池等效电阻较超级电容大很多，减小等效电阻阻值，有利于提高端电压的工作效率。

结语

经过系统充放电试验，证明现代城市有轨电车所采用的混合动力系统，蓄电池组储存能量基本能够保证车辆顺利经过指定长度无电区；系统超级电容对于车辆制动能量的吸收及时可靠，保证了车辆启动瞬间能够提供足够的大功率电能；系统能够满足现代城市有轨电车的性能要求。

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