智轨快运系统供电方式对比分析

张洪彬　蒋小晴　粟爱军　吴雄韬　陈信春

摘   要：智轨快运系统是中车株洲所于2017年6月推出的一种新型跨界创新的中运量轨道交通制式。智轨电车作为智轨快运系统运载工具，其充电站设于线路首末站，首末站区间仅由储能电池为电车供能。本文通过对比现有传统路面轨道交通供电方式，结合智轨电车及其运营线路特点，分析了智轨快运系统供电方式需求，并介绍了其车载储能系统及地面供电系统，最后得出车载储能+首末站充电形式是智轨快运系统建设及运营最具性价比的选择。

关键词：智轨快运系统  智轨电车  供电方式  车载储能系统

中图分类号：U284                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0029-03

随着城市化进程不断推进，在解决大城市公共交通密度补充及中小城市骨干交通网络组建方面，中运量轨道交通日渐表现出其优势。轨道交通供电方式存在多种选择。车载配置储能系统、地面设置快速充电的运营模式，既能保证线路运营效率，又能兼顾良好的城市景观、绿色环保[1]。智能轨道快运系统即采用该模式。

本文首先对市面上主流车载储能载体及其配套充电方式进行了对比，然后依据市区内运营线路及智轨电车特点对供电方式进行了需求分析，最后从需求出发，系统地介绍了智轨车载储能及地面供电系统。

1  车载储能载体及配套充电方式对比

有轨电车属于传统路面轨道交通制式，其自诞生到发展至今已经历了百年有余。现代有轨电车供电方式目前存在走行供电和车载储能+站点补充式供电。

1.1 走行供电

走行供电方式主要有架空接触网供电和第三轨供电，表1示出两者比较。

1.2 车载储能+站点补充

车载储能+站点补充供电方式下，车辆区间运行时由储能系统供能;车辆到达充电站点后完成补电工作。车载储能方式目前有氢燃料电池、超级电容、锂离子电池等。氢燃料电池式车辆续航能力较强，补氢在加氢站进行，单列车配备6个140L储氢瓶，补氢3min可续航100 km;超级电容式车辆充电一般采用每站充或隔站充方式[2];锂离子储能动力电池通过提高车辆续航，可一定程度减少沿线供电系统成本投入，充电方式采用升弓充电或插枪充电。表2示出该类充电方式比较。

车载储能电池主流锂离子电池材料有三元锂、钛酸锂、磷酸铁锂等。其中三元锂电池能量密度最高（220kWh/kg以上），但热稳定性较差，充放电倍率较低（1C左右），应用以乘用车为主;钛酸锂电池充放电倍率最高（充电可达5C，放电可达10C），热稳定性最好，但能量密度低（60～85 kWh/kg），应用以高铁、电力机车等轨道交通为主，这些交通制式已有架空线网，车载储能系统无长距离续航需求;磷酸铁锂能量密度适中（135～185kWh/kg），充放电倍率适中（2～5C），安全性能好，应用以城市公共交通等商用车型为主。

现已投运的储能电池式有轨电车，储能系统多为混合式（超级电容+钛酸锂电池），其目的在于通过提高车辆续航，适应某些站点区间较长的运营线路。该供电方式下，线路配车数仅需考虑线路长度、旅行速度、发车间隔等因素，无需另行考虑首末站车辆充电时间带来的影响。但其地面供电系统仍需每站或隔站设置充电装置，仍涉及较多充电设备及线缆敷设成本投入。

单纯由储能电池为车辆在全线区间内运行供能的方式，目前多应用于公交客车及乘用车领域[3]，尚未在有轨电车领域有工程实例。其重要原因在于有轨电车行驶需借助物理轨道，运行路径受限。若有轨电车采用纯储能电池驱动，首末站充电方式，其在首末站停站时间延长，且随之增加了车辆进出首末充电站的道闸设计难度。

2  智轨系统运营线路供电需求分析

智軌快运系统作为一种跨界创新的新型中运量城市公共交通制式，兼具了轨道交通快速准点、运量大和传统公交运营灵活特点，其运营线路及供电方式的选择脱离了物理轨道限制。根据上述分析，可选用车载配备锂离子储能电池，首末站设置充电站的供电方式。

锂电池电化学模型对输入电流较敏感，在车载电池充电过程中，BMS需与充电机保持实时通信以根据需要实时调整充电参数。车辆配备储能电池时，其充电变流设备存在2种安装情况。设于车载时，地面充电装置无需建立车地通信，其仅需提供稳定电压源;充电变流设备设于地面时，有利于车辆减重及项目成本降低，但需考虑BMS充电阶段实时交互的车地通信需求。

智轨电车通过仿真计算及实际线路测试，三遍组模式下的智轨电车，其线路运行综合平均电耗为2.2～3.5 kWh/km。城市市区内运营线路通常在20km以内，于是对于该类运营线路，车辆单向运行电耗范围44～70 kWh。

对于智轨车载储能电池，其续航能力在电量从100%运行消耗至30%时，需至少满足电车在20 km线路往返一次。地面充电系统输出充电功率需大于所配备储能电池充电功率，充电变流设备需具备车地交互功能。鉴于智轨电车可双向行驶特点，充电设备直流输出端还需具备正负极性切换功能。

由以上需求分析可得智轨车载储能电池能量需大于：

假设智轨系统线路运营发车间距为15 min，则在线路配车数充足，单个首末充电站设置T型双充电位条件下，单列电车在充电位可停留充电时间（包括充电准备时间和实际充电时间）为30min，则储能电池快速充电功率至少需达到：。则地面充电系统输出功率需大于400kW。

3  智轨系统储能充电方案

基于续航、减重及降低成本等方面的考虑，智轨充电系统选择快充式磷酸铁锂电池作为其车载储能系统，在线路首末站设置快速充电站，同时充电变流功能移至地面充电系统，且充电设备直流输出配备正负双极性充电轨。该模式亦为满足智轨快运系统运营要求性价比最优的选择。

3.1 智轨电车储能系统方案

上述需求分析中的计算依据为智轨电车在20km线路上行驶往返所耗能量，若线路首末站均设置T型充电站以供电车运行单程补电，可根据实际运行情况缩减充电时间，以提高发车密度或减少线路配车。智轨电池储能电池基本参数见表3。

3.2 智轨快运系统快速充电系统

快速充电系统由一体化预装式箱式变电站（简称“箱变”）、双极性充电轨、地面定位识别装置及无线通信系统构成。路中设置快速充电系统T型充电站，包含2个充电位，可供2列智轨车辆同时充电。图1示出箱式变电站关联关系。

单台箱变总容量为2000kVA，从两路独立10kV环网取电。箱变变压器次边绕组有3绕组，2路充电绕组，1路低压配电绕组。单路充电绕组输出最大功率900kW;配电绕组输出最大功率200kW，包含临近站台用电及箱变自用电;非首末站台直接引入AC380V市电。箱变高低压侧基本参数见表4、表5。

充电站定位系统包含射频卡（安装于2车头）、射频接收机及定位地磁（安装于充电站）。车辆到站后，接收机识别射频卡内车辆IP地址，整合接收机自身绑定的充电位IP地址得到定位信息，目标地址及源地址进行握手，车地无线通信链路完成建立。

充电机变流器与车载动力电池BMS采用无线通信链路进行充电信息交互，交互内容依据标准GB/T 27930-2015 《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》。

隔离开关柜内配备极性转换功能。车辆在每次升弓触轨时可能会切换正负极性。隔离柜输出端配有电压互感器，可在弓轨接触后采集车载电池电压，并自动配置直流输出极性，最后输出满足电池BMS要求的直流电能至充电轨。

4  结语

智轨快运系统作为一种新型中运量轨道交通制式，为解决城市公共交通问题提供了一种新选择[4]。本文通过对比主流车载储能载体及其配套充电方式，基于智轨电车及其运营线路特点，分析了车载储能及地面快充系统功能、性能需求，并对相关参数进行了介绍。综合而言，车载配备快充储能电池、首末站设置快充系统的模式对智轨快運系统是最具性价比的选择。

参考文献

[1] 石宏.ART车辆段总平面设计技术特点分析[J].现代城市轨道交通，2018（12）： 36-39.

[2] 黄齐来，张维，郭志奇.车载超级电容储能式有轨电车的充电轨设计及应用[J].都市快轨交通，2019，2（32）：132-137.

[3] 张卓杰，刘家栋，李亘，等.现代智能无轨电车与传统BRT的综合比对分析[J].科技创新导报，2019（23）：100-102.

[4] 张洪彬，曾妮.智轨电车惊艳亮相北京国际城市轨道交通展[J].城市轨道交通，2018，29（7）：56-57.

基金项目：国家重点研发计划基金 公共路权导向运输系统集成技术与应用示范（项目编号：2018YFB1201605-10）。

作者简介：张洪彬（1991—），男，汉族，湖南常德人，硕士，工程师，研究方向：轨道交通供电系统。