现代有轨电车受电靴储能系统研发及应用

2021-05-21高洪光武杰文张立臣

铁道机车车辆 2021年2期

孙冰，高洪光，武杰文，张立臣

（中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连116022）

优先发展公交系统，是中国城市交通的发展方向。现代有轨电车交通系统是轨道交通和市区道路相结合的、承担着主要的公交职能的中等运能的交通方式［1］，具有安全环保、设计新颖、环境友好、可靠性高、快捷舒适、运量中等、成本低廉等特点，是一种高性价比的交通选择［2］。

传统有轨电车采用架空接触网供电，接触网影响城市整齐划一的景观要求，这自然地促进了现代有轨电车新型供电技术的发展，即地面供电技术，由地面供电模块给列车供电，铺设方案可与城市融为一体，使有轨电车线路、站台的设计更具有艺术性。

地面供电技术由地面供电模块、车辆受流系统、变电所保护系统等组成，地面供电模块铺设于走行轨中间位置，有轨电车下部装有受电靴，通过地面供电模块接触受流，地面供电模块供电区域均位于车辆受电靴下部，供电部分被车体覆盖，外部的人员和动物接触不到供电部分，安全性得到了保障。

地面供电技术在运用过程中仍存在一些技术难题［3］。文中讨论的是采用地面供电技术的现代有轨电车项目中，保证有轨电车与地面供电模块互相匹配，形成车地一体化作用的关键技术，即现代有轨电车受电靴储能电容系统的研发以及应用［4］。

1 车地匹配问题

1.1 地面供电模块

地面供电由铺设于两条轨道中间部位的若干个地面供电模块连接组成的，横截面如图1 所示。

图1 地面供电模块布置示意

采用自然重力与磁力特性，有轨电车转向架下安装的受电靴与地面模块内的柔性导电排都安装有磁性材料，当车辆行驶至地面供电模块处，受电靴下方的磁铁将模块内的柔性金属带吸起，模块内的柔性导电排受磁力吸起而上抬，地面供电模块表面钢板通过C 型钢板与供电电源正极连通，模块表面钢板带电，受电靴通过与模块表面接触将电能引入车辆内，原理如图2 所示。

当车辆受电靴离开当前地面供电模块表面后，模块内的柔性导电排受自然重力作用，回落到模块内部最低处，模块表面钢板通过C 型钢板与安全负极相连通，模块表面失电，并可保证该地面供电模块表面与安全负极相连，确保安全，原理如图3所示。

图2 地面供电模块供电状态示意图

图3 地面供电模块非供电状态示意图

1.2 车辆受流系统

地面供电模块相配合的车载受流系统，其主要部件包括受电靴、液压控制系统、保护装置等部分，来配合完成由地面供电系统输出的电能传输到整车用电设备。受电靴前后端配备有排障器，能够清除大部分障碍物，受电靴下方配备有盖板，当受电靴收起不用时，盖板闭合，位置正处于受电靴永磁体下方，盖板内含导磁材料，保证磁路封闭于盖板内部，防止吸附其他磁性废物，能够起到保护受电靴的作用，受电靴的收起状态和降下状态如图4、图5 所示。

有轨电车车体两端模块的下方安装有受电靴，地面供电方式时，车辆内部，司机室内的开关控制液压系统降下受电靴，受电靴底座与地面供电模块相接触，底座内部安装有永磁铁组和带弹簧的电刷，电刷通过跳线连接到车辆系统。底座是地面供电模块和有轨电车受电靴接触的地方，位于受电靴最底部，通过其中永磁体将地面供电模块当中的柔性接触带吸上来，使柔性接触带连接电源正极，同时连接正极钢板通过C 型板将电流传输到受电靴上面，从而达到为整车提供电能的作用。通过负极电刷和模块之间的负极钢板接触回流。

受电靴与地面供电模块正负极钢板接触导入电源供车辆运行。受电靴由支架、排障器、护盖和底座组成。底座由正负极电刷、强力磁铁、导电杆和底座容器组成。盖板、排障器与支架分别以液压缸操作，设计理念采用导向安全设计，即无法动作就恢复原状［5］。

图4 受电靴收起状态

图5 受电靴降下状态

1.3 地面供电模块与受电靴匹配

受电靴与地面供电模块是接近刚性的配合，地面供电模块表面的少量沙土、杂物等不可避免的影响了受电靴受电状况，即车辆处于牵引工况时，会发生受电靴瞬间离线情况，车辆会瞬时失去供电，导致车辆运行瞬间顿挫，影响车辆的运行质量和乘坐的舒适性，同时，由于线路电感及车辆电抗器存在，在车辆大电流牵引的情况下，瞬间失电导致电流的变化率di/dt值很大，由公式：

可知，极大的电流变化产生极大过电压，导致车辆内部的电子器件和控制板卡被击穿或者烧损，增加了车辆维护维修的成本，降低了运营和服务的质量。车辆运行中，用示波器采集到的车辆电压波形如图6 所示，波形不连续，会出现瞬时供电中断。

图6 受电靴电压波形

地面供电模块的铺设并不是连续无缝的，在轨道道岔处、公路路口段以及发生故障的模块处均可为无电区，车辆通过以上几类区域时，需要另外供电，保证车辆顺利通过，并保证电压稳定。

1.4 解决方法分析

地面供电模块与车辆受电靴需紧密配合工作，在地面供电无电区处，以及供受电状况不良时，就需要额外的供电瞬时投入，保证受电靴与地面供电相兼容。

为了稳定车辆的供电电压，在车辆主回路供电输入（受电靴）侧可以并联增加受电靴电容器，实现输入电压稳定，具体的电容参数需要通过计算确定。受电靴电容器的作用是稳定车辆输入电压，并且维持车辆牵引系统和辅助系统工作一定的时间，同时电容状态还可以反映出车辆受流状态，当车辆通过地面供电系统受流不良时，控制系统应能切换使车载储能供电系统投入工作，为车辆持续供电。当车辆通过无电区或者车辆受流状态良好时，控制系统应能切换使车载储能供电系统退出工作，并且逐渐控制完成受电靴电容器及车载储能系统的充电。

2 受电靴储能电容系统设计

2.1 总体设计方案

受电靴储能电容及其管理系统总体设计方案如图7 所示，由受电靴电容、充放电控制器、控制微机、显示屏、双向DC 变换器、牵引超级电容模块等部件组成。受电靴电容通过充放电控制器并联于车辆供电输入侧，显示屏作为该系统的人机界面，可以显示系统的工作状态以及运行记录，可以对系统进行设置和操作等，控制微机通过控制充放电控制器完成对受电靴电容的充放电控制，同时可以检测受电靴电容的工作状态来反映车辆受电状态，此外还可以根据需要控制车载储能供电系统的投切。

图7 受电靴储能电容及其管理系统总体设计方案

2.2 受电靴储能电容系统电路原理设计

根据图7 受电靴储能电容及其管理系统总体设计方案的思路，开展技术设计，提出了受电靴储能电容系统电路原理，如图8 所示，说明见表1 所示，系统中显示屏为人机界面，实时显示系统的数据、状态信息，维护人员或者司机可以实时通过显示屏对系统进行操作控制，实现一系列的功能。系统每日初次投入运用时，由有轨电车主断路器后网侧电压传感器V2 检测有轨电车输入电压，控制微机会控制系统主开关MC 闭合给受电靴电容充电至与网压相等的电压值，同时通过双向DC 变换器给牵引超级电容模块充电至额定值，当现代有轨电车行驶至地面无电区时，首先由受电靴电容来支撑车辆牵引系统输入电压的稳定，随后由微机控制双向DC 变换器启动牵引超级电容模块为车辆提供电能。

图8 受电靴储能电容系统电路原理

表1 原理图代号说明

2.3 受电靴储能电容系统部件选型设计

2.3.1 受电靴电容设计

受电靴电容需要瞬时补充车辆牵引功率，且工作频率高，能量交换频繁且较大，超级电容器具有快速充放电的优点，并且随着充放次数的增加不会导致容量衰减，大功率大电流放电能力超强，能量损失小，过程发热损耗少，功率密度大，能量密度中等优点，选定超级电容作为受电靴电容和牵引超级电容模块的基础器件。

受电靴电容容量的确定首先应考虑其供电能力和续航能力，同时也应可解决瞬时性失压故障。经实测，现代有轨电车运行能耗曲线如图9 所示，选取有轨电车大电流持续牵引工况下一段波形，持续时间6.2 s，此工况下网压约为770 V，峰值牵引电流627.33 A，计算6.2 s 大牵引电流工况下的能耗约为0.66 kW·h，牵引峰值瞬时功率约为483 kW。

有轨电车在受电靴失压后约5 s 后可以转换启动牵引超级电容为车辆提供电能，但是在这5 s 内需要受电靴电容支撑车辆的运行供电，若刚好遇到大电流牵引的工况，则受电靴电容需要储存足够的能量和功率来支撑有轨电车的用电需求。

根据地面供电系统技术条件，选定超级电容额定电压应为900 V，受电靴电容储存电能至少应为0.66 kW·h（EC1=0.66 kW·h），根据电容能量计算公式：

计算所得受电靴电容容量C1=5.87 F。

功率储能元件选型，确定的超级电容单体的主要参数是2.7 V，650 F。超级电容器单元334 个串联连接以获得电压900 V、1.95 F 超级电容器模块。三组额定电容为电压900 V、容量为1.95 F 的电容并联。获得额定电压为900 V 且额定电容为5.85 F 的超级电容器组作为受电靴电容器。

超级电容单体最大工作电流为600 A，超级电容组最大电流可达1 800 A，远超过峰值牵引电流627.33 A 的有轨电车需求，因此受电靴电容的功率密度可以满足有轨电车瞬时大电流牵引的需求。

图9 运行能耗曲线图

2.3.2 牵引超级电容模块设计

（1）牵引超级电容模块

有轨电车长时间行驶于长距离的地面无电区段时，受电靴超级电容电压会持续下降，受电靴超级电容可反映车辆供电状态，通过控制系统进行检测目前的地面供电区段是否在为有轨电车供电［6］。

在长距离无电区中，控制微机发出控制信号，使双向DC 变换器和牵引超级电容模块投入车辆供电状态，为有轨电车提供牵引能量，在此工况下，有轨电车需要跨越至少2 个车站区间。

（2）车载储能能量

根据车辆的空间、轴重等要求，预先开展牵引超级电容模块、双向DC 变换器设计，设计了两组牵引超级电容模块，每一牵引超级电容模块由83 V、300 F 超级电容模组6 串4 并连接而成，每一牵引超级电容模块额定电压U2=498 V，容值200 F。

根据电容能量公式计算每一牵引超级电容模块可存储总电量6.889 kW·h。牵引超级电容模块最低使用电压为250 V，剩余存储电量为1.736 kW·h，因此，每一牵引超级电容模块有效可用电量为5.153 kW·h，两组牵引超级电容模块共可存储有效电量10.306 kW·h。

（3）车辆耗能计算

①常规运行模式核算

按照AW3载荷工况（车辆自重+所有就坐乘客总重量+9 人/m²下全部站立乘客的总重量，共63.2 t），按照最高运行速度70 km/h，运行中速度达到70 km/h 后保持匀速，车辆进站停车或者在红绿灯路口停车制动的过程中，车辆优先采用电制动，其中车辆动能产生的制动能量80%回收至超级电容系统，由此计算得出：

有轨电车按照既定的运行线路行驶过程中，在上行区间，车站3～车站4 的运行区间，车辆从0 加速至70 km/h，保持匀速运行，以70 km/h 速度运行至拟减速线路点时，区间累计能耗最大7.87 kW·h，超级电容存储10.306 kW·h，电能可以保证有轨电车通过各区间，运行耗能计算见表2、表3。

站台充电，超级电容充满，最多需补充5.56 kW·h电能，按照双受电靴供电，每一受电靴500 A 电流计算，充电功率750 kW，充满电时间需要27 s，即车辆利用停站时间站站充电，最长停车充电时间27 s，可以保证车辆运行需求。

②车站充电故障情况核算

有轨电车行驶过程中，假设某一车站充电设施故障，导致车辆不停靠车站后不能得到充电补给能量，有轨电车可以利用超级电容能量，最高限速30 km/h 运行可以连续通过2 个区间。

按照最高运行速度30 km/h，运行中速度达到30 km/h 后保持匀速，车辆进站停车或者在红绿灯路口停车制动的过程中，车辆优先采用电制动，其中的车辆动能产生的制动能量80%由车载储能系统回收，运行耗能计算见表4、表5；

有轨电车按照最高运行速度30 km/h 连续运行通过2 个区间，累计能耗最大8.751 kW·h，超级电容存储10.306 kW·h 电能，可以保证站台充电设备故障模式有轨电车通过2 个区间，至下一站台充电补给能量。

连续运行通过2 个区间，有轨电车在第二站台充电，超级电容充满，最多需要补充8.751 kW·h 电能，按照双受电靴供电，每一受电靴500 A 电流计算，充电功率750 kW，充满电时间需要42 s。

经过核算车载储能电容的能量是满足车辆牵引运用要求的。

（4）车辆功率需求计算

根据车辆牵引特性曲线，计算车辆功率需求，有轨电车AW3 工况最大轮周功率为534.7 kW，按照电机效率95%，变流器效率98%核算，车辆辅助功率75 kW，供电侧功率需求为649.3 kW；每组超级电容系统输出功率最大可以达到350 kW，两组可以提供700 kW 峰值功率，牵引超级电容模块满足车辆牵引和辅助功率需求。

表2 70 km/h 上行区间能耗表

表3 70 km/h 下行区间能耗表

（5）牵引超级电容模块工程设计

车辆配置两组相同牵引超级电容模块，有效电量总和8.778 kW·h，单组牵引超级电容模块具体参数见表6。

表4 30 km/h 上行区间能耗表

表5 30 km/h 下行区间能耗表

表6 牵引超级电容模块参数

2.3.3 受电靴电容限流电阻的设计

由于受电靴电容容量很大，在初充电的过程中，在该电路支路中串联接入合适的电阻，可以有效的限制充电电流值，当充电接近饱和时，控制接触器SCC 闭合，PCC 断开，预充电电路短路，系统正常运行［7］。预充电电路原理如图10 所示。

预充电电阻参数的设计，需要考虑电阻自身的温度漂移和阻值公差，还有电流通过能力，包括整个回路中的大功率元器件的电流大小，充电周期等因素。

根据预充电电阻的工作过程推导，正常情况下，充电过程中电容电压公式为式（1）：

其中：τ=R·C

通过预充电电阻的电流公式为式（2）：

正常状态下预充电过程中的电阻功率损耗公式为式（3）：

图10 预充电电路原理

选择时间常数t=3τ 作为一个完整的充电周期，电阻损耗也选择一个充电周期来计算。为了达到限制电流的作用，选定电阻的阻值R=4 Ω，供电系统电压Us≤900 V，因此，在初充电瞬间，预充电电流应不大于225 A，则应选择额定电流不小于225 A的电阻R。时间常数τ=R·C=4×5.87=23.5 s，一个完整的充电周期电阻功率损耗：

电阻瞬时最大功率：

由上述计算结果，选定电阻参数应为：R=4 Ω，瞬时功率P=210 kW，一个充电周期（23.5 s）内可消耗1.32 kW·h 能量的电阻器。

2.4 系统参数

受电靴储能电容系统主要部件技术参数如下：

（1）受电靴超级电容：

3 样机试制及应用

基于以上的系统总体方案的研究、系统工作原理、车载储能能量核算、功率核算，并且根据提出的设计方案与计算分析等，开展工程化设计，形成了设计施工图纸、技术文件、试验大纲等系列技术资料。

在样机的工程化设计与工艺分析、研制过程中，全方位的将工程实际中对于运营维护的需要纳入考虑。安装位置和设计结构考虑了RAMS 要求，为便于维护人员检查及保证作业安全，进行了系统安全放电的功能设计，在车辆段内检修系统相关部件，需预先放掉电容储存电能，保证操作安全。

受电靴储能电容系统在有轨电车上进行了试装车。

（1）受电靴超级电容安装

受电靴超级电容安装于有轨电车司机室上方，司机室空调旁，受电靴超级电容采用密闭式结构，防护等级可达到IP65，适应环境温度范围-25 ℃～65 ℃，如图11 所示。

（2）限流电阻安装

根据车辆的空间，考虑电阻本身的工程防护以及散热需求，将限流电阻安装于车顶纵向中心线附近，如图12 所示。

（3）充放电控制器

充放电控制器安装于车辆司机室顶部，充放电控制器采用自通风散热、冷却结构，防护等级可达到IP65，满足车辆环境要求，如图13 所示。

（4）控制微机

控制微机是系统的管理者，通过采集系统中各部分电压、电流等模拟量数据和开关量信息，通过逻辑运算，完成受电靴电容的充电和放电控制，完成牵引超级电容与双向DC 变换器的投入、退出控制，实现有轨电车网侧电压稳定，完成有轨电车多种供电模式的平稳转换控制，实现有轨电车回段后检修前的安全放电控制功能。控制微机安装于车辆客室内，控制微机的设计便于观察、操作、检修和维护，如图14 所示。

（5）显示屏

显示屏安装于司机室内，显示系统的实时电压、电流、车辆耗电、系统各主要开关的动作状态。目前的车辆供电来源，还可以通过显示屏操作来完成TCU、TCMS、BCU 等部件的故障复位功能。显示屏界面简单易懂，方便司机的观察和操作，如图15 所示。