文 午，付 鵬，張偉先，胡潤文

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

儲能式現(xiàn)代有軌電車儲能系統(tǒng)采用多組并聯(lián)工作模式作為車輛的動力電源。車輛通過主動駛?cè)胝九_，通過地面充電系統(tǒng)進行充電，為儲能系統(tǒng)補充電量。儲能系統(tǒng)過電流充電會導致儲能元件過熱或過電壓，同時會加快儲能元件的壽命衰減。當儲能系統(tǒng)單組或多組儲能電源故障時，因儲能系統(tǒng)和地面充電系統(tǒng)無數(shù)據(jù)通信，需要充電系統(tǒng)能實時檢測及計算儲能系統(tǒng)的容量，判斷儲能系統(tǒng)的工作組數(shù)，自動調(diào)整充電電流，不過電流充電，并以最快速度補充儲能電源的電量，最大限度地保證車輛可靠運行。

1 儲能系統(tǒng)工作組數(shù)判斷方法

超級電容儲能系統(tǒng)單體串并聯(lián)成組后的容量計算公式

(1)

N為單體并聯(lián)數(shù)，M為單體串聯(lián)數(shù)，c1為單體的容量。

(2)

在同一時刻，車輛儲能系統(tǒng)的充電電流是一致的，儲能電源的容量C反比與電壓上升值ΔU。為減小系統(tǒng)的計算量，通過檢測固定周期ΔT內(nèi)，儲能電源總電壓上升值ΔU，作為儲能電源工作組數(shù)的判斷依據(jù)。

根據(jù)儲能式有軌電車儲能系統(tǒng)多組并聯(lián)工作模式，分析車輛進出站的工作狀況，影響電壓上升率計算的因素主要有：①車輛進站制動時，制動能量向儲能系統(tǒng)充電，影響檢測電流的數(shù)值。②充電系統(tǒng)恒流充電時，存在一定的穩(wěn)流偏差。③車輛儲能系統(tǒng)在充電中，輔助設(shè)備一直在工作，消耗一部分充電能量。④電壓傳感器檢測精度存在誤差，影響電壓的值實際采樣準確度。⑤儲能電源的運營一段時間后會出現(xiàn)容量衰減。

針對以上影響因素，充電系統(tǒng)進行如下處理。

1)充電系統(tǒng)在檢測到車輛進站，在初始階段以試驗電流充電，不進行容量計算，主要避免車輛制動時，回收的能量對計算的影響。如車輛進站接觸到充電軌至停車的距離為s1≈10 m，車輛常用制動平均減速度為a1≥1.2 m/s2，則：

(3)

該時間可根據(jù)實際情況進行多次測量，根據(jù)計算值并預留一定的裕量，取值為5 s。

2)為盡量縮短車輛充電時間，檢測時間盡量縮短，只需要區(qū)分儲能電源工作組數(shù)，不需要精確測量電壓上升率，根據(jù)穩(wěn)流精度系數(shù)、輔助負載最大工作電流、電壓傳感器采樣精度系數(shù)和容量衰減系數(shù)，綜合綜合計算，計算固定時間周期內(nèi)，在恒流工況下，電壓上升的極限值，并根據(jù)極限值進行不同組數(shù)工作時，電壓上升區(qū)間的劃分，從而進行組數(shù)的判別，和充電電流調(diào)整。電壓上升率計算公式：

(4)

k1為電壓采樣精度系數(shù)，k2為穩(wěn)流精度系數(shù)，k3為容量衰減系數(shù)；IA為輔助負載最大工作電流。

以某儲能式車輛的儲能系統(tǒng)配置進行電壓上升率計算。儲能電源系統(tǒng)配置方案為：2并344串7 500 F超級電容組成一個儲能電源箱，3組儲能電源箱并聯(lián)組成車輛的儲能系統(tǒng)，車輛輔助負載最大工作電流50 A，車輛停止時間5 s。充電系統(tǒng)穩(wěn)流精度為1%，電壓采樣精度為1%，檢測電流為1 000 A，檢測周期時間3 s，電壓上升率區(qū)間計算見表1。

根據(jù)表電壓上升率計算表，進行工作組數(shù)的判斷：

(5)

2 充電系統(tǒng)充電控制方法

充電系統(tǒng)通過車輛進站信號，開始以檢測電流進行恒流充電，持續(xù)計算的停車時間T1后，開始按照固定周期時間(T2-T1)進行電壓上升率的計算(V2-V1)，按照計算的不同組數(shù)的電壓上升率區(qū)間，進行工作組數(shù)n的判別，按照組數(shù)允許的最大工作電流進行自動調(diào)整?？刂七壿媹D見圖1。

表1 儲能系統(tǒng)電壓上升率區(qū)間計算表

圖1 充電系統(tǒng)充電控制流程圖

3 試驗驗證

根據(jù)方案，在某線路儲能式有軌電車進行試驗，試驗步驟及數(shù)據(jù)如下。

1)試驗1：通過人工計時檢測，車輛進站時間在4～5 s。

2)試驗2：車輛按照正常運營情況，不打開任何輔助負載，充電系統(tǒng)檢測到車輛進站后，1 000 A充電5 s后，繼續(xù)1 000 A充電3 s后，檢測電壓上升率。儲能系統(tǒng)電壓上升率波形如圖2。

儲能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)如表2。

(a)2組儲能電源電壓上升率波形 (b)3組儲能電源電壓上升率波形

表2 儲能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)記錄表(不開輔助負載)

3)試驗3：車輛按照正常運營情況，輔助負載全開，充電系統(tǒng)檢測到車輛進站后，1 000 A充電5 s后，繼續(xù)1 000 A充電3 s后，檢測電壓上升率。儲能系統(tǒng)電壓上升率波形如圖3。儲能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)如表3。

(a)2組儲能電源電壓上升率波形 (b)3組儲能電源電壓上升率波形

表3 儲能系統(tǒng)電壓上升率數(shù)據(jù)記錄表(輔助負載全開)

4)試驗4：自動調(diào)整充電流試驗：設(shè)置充電電流1 300 A，檢測電流1 000 A，2組工作時，1 200 A電流充電，3組工作時1 300 A。

不開輔助負載時，充電系統(tǒng)自動調(diào)整充電電流波形圖如圖4。

輔助負載全開時，充電系統(tǒng)自動調(diào)整充電電流波形圖如圖5。

(a)2組儲能電源充電電流波形 (b)3組儲能電源充電電流波形

(a)2組儲能電源充電電流波形 (b)3組儲能電源充電電流波形

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和波形圖可知：在1 000 A恒流充電3 s情況下，2組儲能電源工作時，電壓上升率在33.9～37.7 V，3組儲能電源工作時，電壓上升率在22.4～26.2 V都在理論計算值范圍；車輛進站時間人工檢測大概在4～5 s，與預估的時間為5 s差不多，充電系統(tǒng)能夠按照電壓上升區(qū)間進行車輛儲能系統(tǒng)工作組數(shù)的判別，并實現(xiàn)充電電流的自動調(diào)整。

4 結(jié)語

雖然地面充電系統(tǒng)判斷充電車輛儲能電源的工作組數(shù)需要在充電前階段8 s內(nèi)，降低充電電流，但相對于3組儲能電源正常充電時，僅增加了3 s充電時間，對于大部分項目，車輛停站時間都在30 s左右，增加的3 s時間對車輛運營影響不大。若要提高組數(shù)判別的準確度，可以延長計算電壓上升率時間段的充電時間，電壓上升率絕對值變大，不同組數(shù)間電壓上升率差值也變大，受器件采樣精度等的影響比例要小些。通過此方案的實施，可以提高車輛儲能系統(tǒng)的可靠性。