快捷货车太阳能轴驱冗余互补发电储能系统的研究*

2020-07-14田继森辛恩承

铁道机车车辆 2020年3期

田继森，辛恩承，孙功，梁浩

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；3 天津航空机电有限公司，天津 300301)

基于货运市场需求，快捷货运已经成为世界铁路运输的主要发展方向之一，欧美等国家已经开发出相当多的快捷货车产品类型。目前我国货物列车的最高速度还停留在120 km/h，根据铁路货运提速的要求，应开发160 km/h快捷货车，以消除铁路全面提速的瓶颈。

160 km/h快捷货车设计中，由于轴重、编组及空重车的变化要求，既有的客车和货车制动系统不能照搬来用，快捷货车制动系统需重新设计，160 km/h的速度下电子防滑器的应用成为大家的共识；速度轴重的提高要求对轴承、制动、防滑器、转向架等关键部件进行监测，发生影响行车安全的情况要求可以及时报警和信息上传，因此给快捷货车供电成为必要条件。

机车直供电是解决快捷货车供电的一个方式，没有机车直供电情况下依靠快捷货车自发电系统就成为解决用电问题的另一条途径。根据快捷货车运行及用电特点，自发电方式下用电基本需求为：单车功率200 W，满足24 h不间断供电。

国内外铁路车辆的自发电方式有轴驱发电、风力发电、太阳能发电和振动发电等，如图1所示。目前轴驱发电、风力发电、太阳能发电3种方式在实践中都有应用案例，振动发电目前应用案例少，且发电功率很低。轴驱发电、风力发电、太阳能发电各有优缺点，轴驱发电和风力发电在车辆高速运行时发电功率和效率高，速度发电能力弱；太阳能发电只要光照充足就可以稳定输出，输出功率和光伏板的面积有关，光照差时输出功率低。综合评估下单独采用任何一种模式都不能达到我们的供电需求。

目前轴驱发电技术应用很成熟，有盘式、径向分离式、桶式和定子转子外盖组合式等；风力发电主要安装于车辆的主梁下，体积较大，工艺要求复杂，检修不便捷，技术相比轴驱发电不够成熟；太阳能发电技术发展迅猛，价格较低，同时光伏板可进行弧面设计，维护简单，且防护等级达到IP65，完全适应运行车辆的防护要求。基于此，我们设计了太阳能轴驱互补冗余发电储能系统。太阳能是清洁能源，在货车停止运行时有光条件下提供能量来源，符合节能环保的理念，轴驱发电机在货车运行过程中不仅能给蓄电池提供稳定的充电电流，还可将多余的电能直接用于车载用电器，这套系统可以结合二者的优点，弥补各自缺点，同时每一节车厢都安装一套冗余供电系统，则可以减轻列车内电气连接的复杂程度，减少车厢布线的工作量，同时提高故障检修效率及整车的容错能力；通过发电机和太阳能的冗余供电，能够实现所有环境中的可持续供电，即使车辆停运且无光的条件下，设备依靠蓄电池供电，电子设备可连续运行24 h。

表1 不同供电方式对比

1 系统原理

太阳能轴驱冗余发电储能电系统由4个部分构成：轴驱发电机、太阳能光伏板、冗余供电控制器、蓄电池，系统原理图如图1所示。

图1 系统原理框图

轴驱发电机安装于快捷货车轴端，太阳能光伏板设置于车厢顶部；冗余供电控制器的电机接口及光伏接口分别与轴驱发电机、太阳能光伏板连接，冗余供电控制器的充电电路与蓄电池连接，用于控制轴驱发电机、太阳能光伏板向蓄电池充电并为其他车载设备供电；蓄电池用于存储轴驱发电机和太阳能光伏板发出的电能，并在冗余供电控制器的控制下为车载设备供电。

发电储能策略：

(1)当列车在光照条件良好环境中以大于50 km/h运行时，由车轴带动轴驱发电机发电，给蓄电池充电。与此同时，太阳能光伏板也处于工作状态，给蓄电池充电。当蓄电池充满电后，轴驱发电系统和太阳能系统可直接给负载供电。哪个系统供电起主要作用，由控制器根据电压进行裁决。

(2)当列车在光照条件良好环境中处于停车状态或以低于50 km/h的速度运行时，轴驱发电机的输出电压很低，主要由太阳能光伏板对蓄电池进行充电，当蓄电池充满电后，可直接给负载供电。

(3)当列车在光照条件较差环境中以大于50 km/h运行时，太阳能光伏板输出电压过低，主要由轴驱发电机对蓄电池进行充电，当蓄电池充满电后，轴驱发电系统可直接给负载供电。

(4)当列车光照条件较差环境以低于50 km/h的速度运行时，太阳能电池和发电机的输出电压都较低，此时车载设备的供电主要由蓄电池提供。蓄电池采用铅酸电池，储存能量大，能够满足车载设备24 h的供电所需能量。

2 系统设计

2.1 发电机

太阳能轴驱冗余发电系统的轴驱发电机采用24 V永磁发电器，如图2所示，额定转速600 r/min，额定功率200 W的发电机模拟。当列车运行速度大于48.6 km/h(对应转速为300 r/min)时，轴驱发电机即可提供100 W的发电输出功率；当列车运行速度达到97.2 km/h(对应转速为600 r/min)以上时，轴驱发电机即可提供200 W的发电输出功率；当列车运行速度达到153.8 km/h(对应转速为950 r/min)以上时，轴驱发电机即可提供300 W的发电输出功率。

图2 24 V交流发电机

2.2 太阳能光伏板

太阳能光伏板选择250 W/24 V的单晶硅太阳能光伏板(面积为990 mm×1 640 mm)，如图3所示，单晶硅太阳能光伏板相对于多晶硅太阳能光伏板来说，优点在于效率比较高，在光照条件良好的条件下可稳定输出大于150 W的输出功率。

图3 太阳能光伏板

2.3 冗余控制器

控制器的主要作用就是安全高效地控制发电机和光伏组件对蓄电池进行充电，如何高效的利用太阳能是系统的核心控制部件。如图4所示，控制器主要由整流单元，BUCK-BOOST电路，MPPT模块，控制电路，按键和显示单元组成。

图4 控制器原理框图

(1)BUCK-BOOST电路也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反，如图5所示。Buck/Boost变换器可看作是Buck变换器和Boost变换器串联而成。这种电路可做升压电路，也可以作为降压电路。

图5 BUCK-BOOST原理图

BUCK-BOOST电路的控制芯片采用LM5118，如图6所示。LM5118是宽电压范围降压/升压开关稳压控制器，具有使用最少外部组件实现高性能且具成本效益的降压/升压稳压器所需的所有功能。当输入电压低于或高于输出电压时，降压/升压拓扑可使输出电压保持稳定。当输入电压比调节后的输出电压足够大时，LM5118 将作为降压稳压器运行，然后随着输入电压接近输出电压逐渐过渡到相应的降压/升压模式。这种双模式方法可在宽输入电压范围内保持稳压，并且在降压模式下提供最佳的转换效率，同时在模式转换期间提供无干扰的输出。

(2)整流单元的作用主要是将交流发电机发出的交流电整流滤波为直流电。当电机输出电压有效值为AC 24 V时，整流电压Uac=24 V×2.34=56.16 V

(3)液晶显示电路可以显示系统的相关参数信息，和按键配合可以对系统的相关参数，例如充电电流、过流保护值等参数进行设置。

(4)控制电路的作用是BUCK-BOOST电路进行稳压、限流控制；将电池电压、发电机电压、太阳能光伏板电压、充电电流、电机转速等相关信息参数显示在液晶上；处理来自按键的设置信息，这些信息包括充电电流,发电器的上限转速、上限电压、上限电流，蓄电池的容量上限等相关信息；设定电机过转速、过电压、过电流限制，一旦电机超过设定的上限转速、上限电压或上限电流，控制器自动启动PWM智能卸载，从而保护发电机。

图6 LM5118

(5)MPPT模块控制

光伏电池阵列通过升降压电路对电容充电。系统通过MPPT控制器寻找出光伏电池最大功率点，给出控制信号，通过PWM驱动电路调节功率变换器的占空比D，改变变换器的输入电压Uin，使其与光伏电池阵列最大功率点所对应的电压相匹配，从而使光伏电池阵列始终输出最大功率，充分利用太阳能。系统中最大功率跟踪的过程实际上是一个光伏电池功率自寻优的过程。

采用的MPPT控制算法是电压回馈法。电压回馈法是最简单的一种最大功率跟踪法。经由事先测试的结果，我们可得知太阳能光伏板在某一日照强度下的最大功率点的电压大小，此方法是调整太阳能光伏板的端电压，使其能与事先测试的电压相符，来达到最大功率点追踪的效果。

2.4 蓄电池

蓄电池采用铅酸电池，在电池电压确定的情况下，电池容量的选择很重要。持续输出功率按照30 W计算。则输出的持续电流是I=30 W/24 V=1.25 A,设备连续工作24 h，则需要的电池容量为C=1.25 A×24 h=30 Ah，考虑到余量，选择40 Ah/24 V的铅酸电池组。

2.5 工作过程

发电机的输出通过断路器连接在控制器的电机接口上，如图7所示。太阳能光伏板通过断路器连接在控制器的光伏接口上。控制器的作用在于能够安全高效地控制发电机和光伏组件对蓄电池进行充电。同时，提供了电机过转速、过电压、过电流限制，一旦电机超过设定的上限转速、上限电压或上限电流，控制器自动启动PWM智能卸载，从而保护发电机。当电机电压低于蓄电池电压时，控制器自动启动升压模块，将电机电压提升到充电电压，此时电机进行升压充电；当电机电压高于蓄电池电压时，为了获取最大功率，控制器自动启动降压模块，对电机的输出电压进行降压充电。