□ 張 驕 □ 李宇杰 □ 王 璐 □ 馬 亮 □ 李 彬

1.北京市地鐵運營有限公司 北京 100044 2.北京交通大學長三角研究院 江蘇鎮(zhèn)江 212009

1 車載儲能系統現狀

當前及未來一段時間內,交通領域的儲能方式主要有電池儲能、超級電容儲能和飛輪儲能。就車載儲能而言,飛輪儲能技術目前還不夠成熟,安全性及回轉力的問題嚴重制約了飛輪儲能技術在車輛上的應用[1-3]。電池儲能存在不能回收再生制動能量的不足,需要在車輛上安裝專門的儲氫罐，并且要在車輛段建設充氫站。由此,現有的有軌電車車載儲能方式常采用電池儲能和超級電容儲能。

電池儲能在電動汽車領域中的應用較早。豐田普銳斯混合動力汽車一直采用鎳氫電池作為儲能元件，但是鎳氫電池具有記憶效應,即電池在循環(huán)充放電過程中容量會出現衰減,而過度充電或放電,則可能加劇電池的容量損耗。由于鋰電池的此項特性幾乎可以忽略不計,因此第四代普銳斯高配版混合動力汽車改用鋰電池作為儲能元件。相對于鎳氫電池儲能,采用鋰電池儲能，能量密度和功率密度都較高，優(yōu)越性明顯。特斯拉 Model S選擇能量密度較高的鈷酸鋰電池作為儲能元件,比亞迪則多采用安全性能更好的磷酸鐵鋰電池儲能。鈦酸鋰電池雖然能量密度相對較低,但是由于充放電倍率對稱,且循環(huán)壽命長,可以回收更多再生制動能量,因此多用于運行工況較為固定的城市交通領域,如重慶公交系統在電動大巴上就采用鈦酸鋰電池作為儲能元件。

有軌電車的車載儲能各不相同。在國內線路中,南京河西線全線無接觸網,采用鈷酸鋰電池儲能,進站充電,電池荷電狀態(tài)波動較小。江蘇淮安線和廣東廣州海珠線同樣為全線無接觸網,采用超級電容為有軌電車提供能量,進站充電。遼寧沈陽渾南有軌電車在路面架設接觸網,在長度為800 m的無接觸網區(qū)采用超級電容供電技術。國外線路中,法國尼斯有軌電車采用架空接觸網供電,在市中心廣場短距離無接觸網區(qū)采用車載蓄電池供電。日本川崎重工雙動力Swimo型有軌電車通過接觸網和鎳氫電池供電,在無接觸網區(qū)可獨立驅動行駛10 km[3]。

2 車載儲能系統容量配置

有軌電車容量配置的本質是使車載混合儲能系統滿足負載功率需求，以及車輛軸重、空間的制約。通過改變儲能元件的輸入,經容量配置算法,可以驗證是否滿足負載功率需求。車載混合儲能系統進行容量配置,需要預先確定系統的拓撲結構、負載功率與能量管理策略。

目前，針對有軌電車車載混合儲能系統容量配置的問題,國內外學者將質量、體積及運行成本都作為重點考慮的因素[4-5]。由于電池與電容在能量密度、功率密度等參數方面有很大不同,造成車載混合儲能系統的質量、體積、初期投入、運行損耗等相互制約，若是只對其中的某一參數進行優(yōu)化,則不能滿足實際使用的需求[6]。

以基于電池功率閾值的能量管理策略為例,假設超級電容直接與母線相接,設定電池充放電功率閾值,負載功率在閾值內由電池提供電能,兩端超出的尖峰部分由超級電容提供電能。此時,配置的電池功率應大于電池充放電功率閾值,電池能量Ebat應滿足列車運行到下次電池充電時,即：

(1)

式中：pbat_ch、pbat_dis分別為電池充電功率閾值和電池放電功率閾值；k為時間常數。

超級電容放電功率psc_dis為：

(2)

式中:ptram為負載功率,ηDC為電池兩端直流-直流變換器的效率。

充電功率psc_ch為：

(3)

此時,配置的超級電容額定功率應大于超級電容充電功率的最大值。超級電容額定容量Esc應滿足：

(4)

可見,車載混合儲能系統的容量優(yōu)化配置問題是一個多目標優(yōu)化問題,多目標優(yōu)化問題的求解分為多目標加權優(yōu)化與多目標帕累托集求解。對于車載混合儲能系統的容量配置過程而言,不能簡單設定某一個優(yōu)化目標比其它目標更重要。

3 拓撲結構

有軌電車車載儲能系統的拓撲結構是研究能量管理的前提,對于有軌電車車載儲能系統而言,拓撲結構將直接影響儲能裝置的控制方式。按照直流-直流變換器的數量,可分為直接并聯拓撲、電池和超級電容各帶直流-直流變換器并聯拓撲、電池通過直流-直流變換器并聯拓撲、超級電容通過直流-直流變換器并聯拓撲四種[7]。四種拓撲結構如圖1所示。

直接并聯拓撲結構簡單，成本低，系統效率高，響應速度快，但儲能系統的容量不能被完全利用。電流在兩種儲能元件之間自動分配,分流的大小取決于各自的內阻,因此每種儲能元件的功率無法控制。此外,

▲圖1 有軌電車車載儲能系統拓撲結構

超級電容的電壓與電池電壓相同,也都不受控,其變化取決于電池荷電狀態(tài),這就限制了超級電容的最優(yōu)化,也限制了超級電容單元的選擇。為達到相同的電壓,需要串聯更多的超級電容單元。這一拓撲結構適用于直流母線電壓變化范圍不大、電池沒有嚴格充放電要求的場合。

對于電池和超級電容各帶直流-直流變換器的并聯拓撲結構，直流-直流變換器具有變流、調壓的功能,可以用于連接端電壓不同的兩種儲能元件，并進行控制，同時可以維持直流母線電壓恒定,延長儲能元件的使用壽命。因為電池和超級電容均可以深度放電，所以儲能可以充分被利用。與直接并聯相比,使用直流-直流變換器并聯的拓撲結構，會使儲能元件產生功率損耗，使系統成本增加，效率降低。因此,采用這一拓撲結構需考慮技術優(yōu)勢和系統經濟成本增加之間的矛盾關系[8]。

采用電池通過直流-直流變換器并聯的拓撲結構，電池功率可控,電池的充放電電流平緩,并可延長電池的壽命周期。超級電容需要許多單元串聯，以獲得較高的母線電壓。在脈沖負荷電流區(qū)間,超級電容的端電壓會下降。如果相連的逆變器需要一個穩(wěn)定或正常工作的最小電壓以生成正確的交流側電壓,那么超級電容端電壓下降太多會使儲能系統不穩(wěn)定,因此必須將直流電壓控制在合適的范圍內。

超級電容通過直流-直流變換器并聯的拓撲結構中，超級電容存儲的能量能夠充分被利用,但缺點是電池功率不可控,造成充放電電流不穩(wěn)定。直流母線電壓的大小取決于電池的荷電狀態(tài)變化,而電池荷電狀態(tài)的變化不能直接控制,只能維持在一個給定的范圍內,因此儲能系統的運行受到限制。

有軌電車車載儲能系統拓撲結構的選擇取決于不同因素,如拓撲結構的技術優(yōu)勢、經濟成本等,在不同的應用背景下，必須進行全面分析，以得到最佳方案。

4 能量管理策略

有軌電車在經濟性改進和運行優(yōu)化等方面強烈依賴于能量管理策略。無論車輛的拓撲結構如何,控制策略的主要目標都是通過管理來自不同能量存儲元件的功率流來滿足列車行駛的功率需求,以優(yōu)化特定的目標，同時滿足其它約束條件,如儲能元件荷電狀態(tài)、壽命等。近年來,專家學者們從各個角度深入研究能量管理策略的優(yōu)化控制算法,按實時性原則，將能量管理策略分為在線策略與離線策略兩種[9]。

常用的在線能量管理策略有基于規(guī)則的固定閾值管理策略、濾波功率分配策略、基于模糊控制規(guī)則的能量管理策略等，這些策略的共同特點是規(guī)則簡單、易于實現，但動態(tài)性較差，不能根據需求隨時調整。離線能量管理策略有基于動態(tài)規(guī)劃的能量管理策略,雖然能夠得到全局最優(yōu)解,但依賴于工況循環(huán)狀態(tài)，且計算量大，計算時間長，不能實現實時在線控制?？梢?，需要進行算法的改進，并與其它技術相結合,以縮短計算時間，實現對未來工況信息的預測。濾波功率分配策略能夠充分利用不同儲能元件的特性,操作簡單,但魯棒性和自適應能力較差?；谝?guī)則的固定閾值管理策略和基于模糊控制規(guī)則的能量管理策略在某些特定驅動周期內具有明顯優(yōu)勢,比較靈活,易于調節(jié)，前者對于動態(tài)性能較難滿足,針對性較強；后者適用范圍較廣,可變程度更大,但研究還有待繼續(xù)深入,有很大的發(fā)展空間。

綜上所述,能量管理策略要充分發(fā)揮各種控制方法的優(yōu)勢,使各種控制方法之間互相協同與融合,實現組合策略控制,以獲取系統最優(yōu)的綜合性能。要綜合考慮有軌電車車載儲能系統的構型及容量配置,進行協同優(yōu)化，以改善整車的能量效率,尋求更為適用于特定設計需求的能量管理策略。

5 應用情況

對于在市區(qū)中進行工作的有軌電車而言,接觸網的架空設計會影響城市美觀[10]。同時,由于現代有軌電車啟停頻繁、站間運行距離相比地鐵、輕軌更短,因此制動能量相當可觀。研究表明，大約 40%的牽引能量可以在再生制動階段回收。采用接觸網供電的有軌電車,其制動能量不能被直流供電網的其它裝置完全吸收,剩余能量會導致直流網電壓抬升。當直流網電壓超過允許范圍時,空氣制動會伴隨產生熱量、粉塵、噪聲污染，并造成機械磨損，這對于有軌電車的發(fā)展極為不利。對于上述問題,利用儲能技術在供電網或者列車上安裝儲能裝置,可以得到有效解決。目前，有軌電車車載儲能系統的應用情況見表1。

表1 有軌電車車載儲能系統應用情況

6 結束語

對于有軌電車而言,車載儲能系統是整車的動力來源,其性能在很大程度上會影響整車的動力特性。車載儲能系統不僅需要存儲足夠能量，而且需要承受瞬時大功率。就目前而言，還缺少滿足以上特點的儲能元件。以現有的儲能技術條件,需要將具有高能量密度、高功率密度的儲能元件相結合,組成混合動力儲能系統來向車輛提供能量,才能滿足有軌電車運行過程中對功率和能量的需求。