储能移动式充电装置设计

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

低碳、绿色、智能的交通系统已越来越受到世界各国的支持和推广，其中，储能式现代有轨电车以其能耗小、线路投资低、无需架设供电网线的特点，近年来得到我国多地区的大力推广及认可。现有的储能式有轨电车供电方式均是利用停站的时间，通过地面充电系统为车辆充电，一旦地面充电系统发生故障，将影响车辆运营。因此，需要一种能够暂时替代地面充电系统的一种快速充电的移动式充电装置。本文介绍了一种储能移动式充电装置，该充电装置能在地面充电系统发生故障时，在较短的时间内为车辆补充电能，使其安全可靠的运行至下一站。

1 系统概述及原理

1.1 系统概述

储能移动式充电装置采用柴油机和混合型超级电容(电池电容)混合充电方案，主要由柴油发电机组、电池电容模组、AC/DC模块、DC/DC模块组成。储能移动式充电装置通过发电机将化石能量转化为三相交流电能，然后经三相不可控二极管整流器整流后，转化为直流电源，再经过直流降压斩波器输出给超级电容。

当有轨电车未进站时，柴油发电机组通过AC/DC模块为电池电容模组进行充电；当有轨电车进站时，柴油发电机组和电池电容模组同时给有轨电车车载超级电容充电，由于电池电容短时大功率输出特性，有轨电车车载超级电容能在短时内将能量充满。

1.2 基本原理

储能移动式充电装置主电路结构框图如图1。

图1 储能移动式充电装置原理框图

1.3 主要技术参数

发电机组电压：3AC800 V

电池电容单体容量：60 000 F

电池电容组成：采用48个模组串联组成，每个模组3并6串

电池电容存储能量为：43.2 kWh

电池电容柜电压：DC720 V-DC950 V

移动充电装置充电电压：DC0-DC900 V

移动充电装置最大充电电流：DC0-DC1 200 A

2 结构设计

储能移动式充电装置外形采用箱体设计，整个箱体分为3个腔体，前段两侧为发电机和电池电容柜，后端为充电柜，以及输出正负极、接地线的接线盘。充电装置外形尺寸约为：5 000 mm×2 300 mm×2 800 mm，如图2所示。整套充电装置可固定安装在中型卡车上，便于移动运输。

图2 储能移动式充电装置外形

如图3所示，前部柴油发电机组与电池电容柜重量各为2 500 kg，分在两侧，平衡左右两侧重心，中间为550 mm的检修通道。后端为充电柜，充电柜重量为1 500 kg，输出正负极、接地线的接线盘安置在充电柜侧边。整套充电装置的重量约为7 000 kg。

图3 储能移动式充电装置设备布置图

3 主要部件

3.1 柴油发电机组

3.1.1 柴油发电机组概述

柴油发电机组由柴油发动机(引擎)、交流发电机(电球)和控制系统三大主要部件组成。柴油发动机是引擎设备，用来发动整个发电机组；交流发电机即电球，用来发电；控制系统用来控制整个发电机组的起动、运行和停止。另外，发电机组还包括控制柜(面板)、开关柜、 散热水箱、联轴器、燃油箱、起动和控制用蓄电池、保护装置、消声器及公共底座等组件。

3.1.2 主要技术参数

柴油发电机组主要参数见表1。

表1 柴油发电机组主要参数

3.2 电池电容柜

电池电容具有高能量密度、大容量、大电流充放电和长循环寿命等特点，在车辆未进站时，能够存储能量，在车辆进补需要充电时能快速释放能量与柴油机组一起为车辆超级电容充电。电池电容柜采用单体为60 000 F的电池电容单体，整套电池电容柜由48个模组串联组成，每个模组由3并6串单体组成，共存储电量为43.2 kWh。

3.3 充电柜

充电柜整个系统的主要部件包括输入熔断器、主接触器、预充电接触器、整流模块、电容模块单向DCDC模块、双向DCDC模块、储能电感、输出熔断器和输出接触器。充电柜的电气原理框图如图4所示，各部件作用如下。

1)输入熔断器用于在系统输入端进行短路大电流保护。

2)预充电接触器用于对母线支撑电容进行预充电。

3)主接触器用于对输入电进行投入和切除。

4)整流模块将三相电进行整流，转化为直流电。

5)电容模块并联在直流母线正负极，起滤波和支撑母线电压作用。

6)双向DCDC模块用于对储能电源柜进行充放电。

7)单向DCDC模块用于对电车上的车载电容进行充电。

8)储能电感用于在进行DCDC变换时进行储能。

9)输出熔断器对模块和系统进行大电流保护。

10)输出接触器用于与充电柜输出端连接的设备进行投切。

4 充电策略

4.1 电池电容充电时间

柴油发电机组功率为200 kW，DC/DC模块为电池电容按恒功率200 kW充电；地面储能电源一共能存储43.2 kWh的电量，双向DC/DC模块转换效率97%，则地面储能电源充满电共需要43.2 kWh/(200 kW×97%)=13.3 min。

4.2 有轨电车超级电容充电逻辑

车辆在进站时若电压较低，若以最大功率输出充电，则输出充电电流超过DC/DC模块最大输出电流。因此，储能移动式充电装置采用先恒流输出，再以最大功率输出方式充电，实现车载超级电容在较短时间内充满。

图4 储能移动充电柜电气原理框图

车辆需要充电时，储能移动式充电装置会先对车载超级电容进行恒流1 200 A充电，随着电池电容输出功率的下降，当达到车载超级电容电压达到一定值Uc时，充电装置转换为发电机恒功率(200 kW)、地面储能电容恒流(600 A)输出的模式，以最大输出功率为车载超级电容充电，直至车载超级电容达到最高电压。充电逻辑如图5所示，车载超级电容充电时的电压电流曲线如图6所示。

图5 车载超级电容充电逻辑图

图6 车载电容充电电压电流曲线

4.3 临界点的确定

在工作模式切换的临界点时，车载超级电容充电功率为电池电容功率与柴油发电机组功率之和。则有：

I1·U1=(U2·I2·η1+P1)·η2

(1)

其中：U1为车载超级电容电压

U2为电池电容电压

I1为车载超级电容充电电流

I2为电池电容输出电流

η1为电池电容输出效率

η2为储能移动式充电装置输出效率

已知车载超级电容容量C1为192 F；根据电池电容特性，储能移动式充电装置电池电容等效容量C2为868 F。

充电装置恒流I1=1 200 A给车载电容充电的时间为t1，车载超级电容在t1时间内增加的能量为柴油机提供的能量与电池电容提供的能量之和，则有：

(2)

综合(1)(2)求得从超始电压500 V充电至工作模式切换临界点时间t1=16.6 s，有轨电车车载超级电容电压(临界电压)Uc=603.8 V。

因此储能移动式充电装置在车载超级电容电压达到603.8 V时，切换充电模式，由柴油机200 kW功率、电池电容恒流600 A输出的模式，以最大输出功率为车载超级电容充电。

5 样机试验

为验证储能移动式充电装置样机的输出特性，采用分布式测试系统分别对不同工况下的充电站输出特性进行了测试。表2介绍了分别从各个起始电压充电的输出特性，试验结果满足有轨电车超级电容快速充电要求。

表2 储能移动式充电装置输出特征参数

6 结语

中车株洲电力机车有限公司自主研发的储能移动式充电装置，采用具有高能量密度、大功率充放电特点的60 000 F电池电容作为储能装置，与柴油发电机组匹配，解决了有轨电车地面充电装置故障情况下车载超级电容的快速充电问题。本项目的成功实施，进一步保障了储能式有轨电车运营的可靠性，具有较强的推广意义。