付亞娥 張能孝 毛業(yè)軍

摘 要：結(jié)合城市軌道交通車(chē)輛的電氣系統(tǒng)及儲(chǔ)能電源的工作原理，介紹一種應(yīng)用于混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組的儲(chǔ)能電源總體設(shè)計(jì)，從儲(chǔ)能電源的主要技術(shù)參數(shù)、電氣原理，以及保護(hù)電路等方面闡述該儲(chǔ)能電源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;混合動(dòng)力;大功率;高密度;儲(chǔ)能電源;保護(hù)電路

低碳、綠色、智能的交通系統(tǒng)已越來(lái)越受到世界的歡迎。儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)以其能耗小、線路投資低、無(wú)須架設(shè)供電網(wǎng)線的特點(diǎn)，近年來(lái)得到全國(guó)多地區(qū)的認(rèn)可及推廣。目前，儲(chǔ)能電源在城市軌道交通車(chē)輛領(lǐng)域已具備一定的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)采用的儲(chǔ)能電源均安裝在車(chē)頂位置，在儲(chǔ)能電源的組裝或檢修過(guò)程中工人均需攀爬車(chē)頂、觸碰電氣連接銅排和拆裝銅排緊固件，存在檢修耗時(shí)長(zhǎng)、檢修工人的人身安全隱患等不足。同時(shí)，儲(chǔ)能電源系統(tǒng)補(bǔ)充能量的方式均采用充電站的方式，因此站臺(tái)旁邊需要配置充電裝置。本文將介紹一種應(yīng)用于混合（柴-電）動(dòng)力動(dòng)車(chē)組的大功率高密度儲(chǔ)能電源，當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行在無(wú)弓網(wǎng)、無(wú)充電站的非電氣化干線上，儲(chǔ)能電源會(huì)通過(guò)動(dòng)車(chē)組配置的動(dòng)力包進(jìn)行充電并吸收動(dòng)車(chē)組制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量，滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組的長(zhǎng)途牽引需求。

1 混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組概述

1.1 動(dòng)車(chē)組技術(shù)參數(shù)

動(dòng)車(chē)組的設(shè)計(jì)速度為140km/h，啟動(dòng)加速度大于0.8m/s2，編組形式為-D1 + M1 + M2 + D2 -，其中：D為拖車(chē)（帶司機(jī)室和動(dòng)力包），M為動(dòng)車(chē)（帶變流器和動(dòng)力轉(zhuǎn)向架），-為美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)（AAR）標(biāo)準(zhǔn)的10A鉤頭司機(jī)室端車(chē)鉤，+為半永久牽引桿。

1.2 動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)

動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)采用柴-電混合動(dòng)力方案，主要由動(dòng)力包（PMG）、永磁發(fā)電機(jī)（Engine）、AC/DC整流器、DC/DC整流器、儲(chǔ)能電源、主輔一體式變流器、制動(dòng)電阻和牽引電機(jī)（M）組成，動(dòng)力包與儲(chǔ)能電源共同為動(dòng)車(chē)組供電。其電氣拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 儲(chǔ)能電源概述

儲(chǔ)能電源是混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組的儲(chǔ)能裝置，安裝于車(chē)輛底部，主要功能有：

（1）在列車(chē)牽引工況下，儲(chǔ)能電源和動(dòng)力包同時(shí)給變流器供電，由于儲(chǔ)能電源短時(shí)大功率輸出特性，動(dòng)車(chē)組在短時(shí)內(nèi)能加速到最高運(yùn)營(yíng)速度;

（2）在列車(chē)惰行工況下，動(dòng)力包除少量功率用于維持列車(chē)恒速運(yùn)行外，多余的功率用于給儲(chǔ)能電源充電，以備下階段儲(chǔ)能電源牽引功率輸出;

（3）在列車(chē)制動(dòng)工況下，牽引電機(jī)將列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能給動(dòng)車(chē)組供電，同時(shí)將多余的能量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能電源中，實(shí)現(xiàn)能量的回收及循環(huán)利用。

混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組儲(chǔ)能電源由機(jī)箱、42個(gè)超級(jí)電容模組（包含電壓均衡單元）、主控單元、電流/電壓傳感器、熔斷器、雙極直流接觸器、閘刀簧片、散熱風(fēng)扇等組成。這些零部件設(shè)計(jì)成模塊化托盤(pán)的方式，在儲(chǔ)能電源的組裝、維護(hù)過(guò)程中，工人無(wú)需觸碰高壓電氣連接銅排和拆裝銅排緊固件，只需通過(guò)推拉模組托盤(pán)就可使儲(chǔ)能電源實(shí)現(xiàn)自合/斷高壓電路，保障檢修維護(hù)的安全。

儲(chǔ)能電源采用60000F電池電容器作為儲(chǔ)能元件，60000F電池電容正極復(fù)合材料是以碳納料管+復(fù)合糖類(lèi)作為碳源包覆的納料級(jí)磷酸鐵鋰，負(fù)極復(fù)合材料為石墨、軟碳、硬碳三元復(fù)合材料，該儲(chǔ)能元件突破了以往超級(jí)電容（3000F、9500F等）低能量密度、體積密度的技術(shù)壁壘，具有高比能量、高比功率、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。儲(chǔ)能電源的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

儲(chǔ)能電源采用車(chē)底懸掛的安裝方式，以客室空調(diào)廢排作為冷卻源保證散熱效果，其整體布局如圖2所示。

儲(chǔ)能電源的主要零部件是42個(gè)超級(jí)電容模組，為減小縱向和橫向的尺寸，將儲(chǔ)能電源箱設(shè)計(jì)為上、下2層安裝模組的結(jié)構(gòu)，42個(gè)超級(jí)電容模組分別安裝在21 個(gè)托盤(pán)上，形成14 個(gè)模組托盤(pán)組件和7個(gè)斷電模組托盤(pán)組件，每一縱列2個(gè)模組托盤(pán)組件和1個(gè)斷電模組托盤(pán)組件之間通過(guò)推拉的方式裝入箱體內(nèi)，在推拉的過(guò)程中自動(dòng)合/斷電（刀開(kāi)關(guān)的方式）連接。儲(chǔ)能電源兩側(cè)各配置6個(gè)風(fēng)機(jī)組件，風(fēng)機(jī)的檢修維護(hù)無(wú)須打開(kāi)箱體柜門(mén)，可以直接在箱體外側(cè)拆卸風(fēng)機(jī)組件的緊固件。儲(chǔ)能電源箱柜門(mén)上設(shè)計(jì)防脫落裝置，防止柜門(mén)松動(dòng)及脫落。儲(chǔ)能電源的電器部件（如雙極直流接觸器、電流傳感器、熔斷器等）設(shè)計(jì)成模塊化，主電路及控制電路中的所有器件均安裝在器件托盤(pán)組件上，器件托盤(pán)組件的安裝也是采用推拉的方式。

縱向的超級(jí)電容模組之間的電連接采用刀開(kāi)關(guān)形式，如圖3所示。儲(chǔ)能電源在組裝過(guò)程中，先將14 個(gè)模組托盤(pán)組件安裝到儲(chǔ)能電源箱內(nèi)，然后把橫向的超級(jí)電容模組間用連接銅排1和緊固件連接好，再將另一側(cè)已用連接銅排2連接好的斷電模組托盤(pán)組件依次推入，至此整個(gè)儲(chǔ)能電源箱內(nèi)的超級(jí)電容模組之間的電路已串聯(lián)閉合，無(wú)需人工觸碰高壓回路上的電連接部件（如銅排、緊固件等）。

3 儲(chǔ)能電源電氣設(shè)計(jì)

3.1 主電路原理圖設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電源的主電路原理示意圖如圖4所示，主要由輸入回路的正極熔斷器（F01）、雙極直流接觸器（K01）、電流傳感器（B02）、超級(jí)電容模組及電路（C01～C42）、電流傳感器（B03）、負(fù)極熔斷器（F02）、電壓傳感器（B01）、控制單元及對(duì)外相連的端子（如P1、P2、N1、N2）等組成。

3.2 工作原理

當(dāng)儲(chǔ)能電源電壓在DC 630～870 V內(nèi)，可給動(dòng)車(chē)組提供牽引力，此時(shí)儲(chǔ)能電源經(jīng)過(guò)B02、K01和F01后給動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)供電;當(dāng)儲(chǔ)能電源電壓低于DC 630 V時(shí)，由柴油機(jī)或動(dòng)車(chē)組制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量對(duì)儲(chǔ)能電源進(jìn)行充電，即經(jīng)過(guò)F01、K01和B02后給超級(jí)電容模組充電?？刂茊卧?fù)責(zé)監(jiān)控儲(chǔ)能電源的運(yùn)行狀態(tài)，42個(gè)超級(jí)模組上的電壓均衡單元通過(guò)內(nèi)部通信接口J1、J2進(jìn)行控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信串聯(lián)（終端電阻R1安裝在模組C42上），將采集到的42個(gè)超級(jí)電容模組的電壓、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN通信發(fā)送給控制單元，正負(fù)極熔斷器、電流傳感器、電壓傳感器等的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)硬線發(fā)送給控制單元，然后控制單元將計(jì)算出的輸出電壓、溫度及器件狀態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)送給動(dòng)車(chē)組，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組對(duì)儲(chǔ)能電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電源系統(tǒng)及動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)均具備切斷DC 110 V供電系統(tǒng)的功能，即通過(guò)硬線電路來(lái)控制K01的通斷。如圖5所示，儲(chǔ)能電源對(duì)DC 110 V供電的切斷是通過(guò)內(nèi)部的控制單元、二極管四線端子（V01）、中間繼電器（K02）再到雙極直流接觸器（K01）進(jìn)行控制;動(dòng)車(chē)組對(duì)儲(chǔ)能電源的切斷是通過(guò)控制雙極直流接觸器實(shí)現(xiàn)的。

中間繼電器（K02）的狀態(tài)如表2所示。

當(dāng)儲(chǔ)能電源管理系統(tǒng)（CMS）檢測(cè)到Cxx號(hào)模組超溫報(bào)警或模組內(nèi)單體過(guò)壓報(bào)警時(shí)，控制單元向動(dòng)車(chē)組發(fā)送請(qǐng)求切除儲(chǔ)能電源信號(hào)，5 s后控制單元提供DC24 V信號(hào)（控制單元高電平），使K02的A1線圈得電、觸點(diǎn)51、52常閉。動(dòng)車(chē)組手動(dòng)切除儲(chǔ)能電源信號(hào)后，動(dòng)車(chē)組完成卸載，斷開(kāi)DC 110 V信號(hào)（低電平），K01的A1、A2線圈失電，此時(shí)圖5中K01的常開(kāi)觸點(diǎn)13、14斷開(kāi)，圖4中K01的主觸頭1、2斷開(kāi)。

當(dāng)滿(mǎn)足超溫報(bào)警模組溫度≤52 ℃時(shí)，模組高溫報(bào)警故障解除;當(dāng)過(guò)壓報(bào)警模組故障解除后，DC 24 V信號(hào)斷開(kāi)（低電平），K02的線圈A1失電，K02常閉觸點(diǎn)51、52閉合，此時(shí)K02為失電狀態(tài)，并將此狀態(tài)上報(bào)給動(dòng)車(chē)組，動(dòng)車(chē)組繼續(xù)根據(jù)其他條件判斷是否可以閉合接觸器且執(zhí)行相應(yīng)命令。當(dāng)動(dòng)車(chē)組判斷到接觸器可接通，便提供DC 110 V信號(hào)（高電平），此時(shí)，K01的A1、A2線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)13、14閉合，K01接通。

中間繼電器（K02）、動(dòng)車(chē)組DC 110 V控制信號(hào)、雙極直流接觸器（K01）三者的對(duì)應(yīng)狀態(tài)如表3所示。

儲(chǔ)能電源內(nèi)部裝有煙溫探測(cè)器，當(dāng)檢測(cè)到箱體內(nèi)部有煙霧，則會(huì)啟動(dòng)動(dòng)車(chē)組的火災(zāi)報(bào)警，此時(shí)動(dòng)車(chē)組DC110 V電源供電斷開(kāi)，K01的A1、A2線圈失電，常開(kāi)觸點(diǎn)13、14斷開(kāi)，主觸點(diǎn)1、2也斷開(kāi)，動(dòng)車(chē)組切斷儲(chǔ)能電源。

儲(chǔ)能電源的正負(fù)極輸入端分別設(shè)置了熔斷器進(jìn)行主電路的短路過(guò)流保護(hù)，熔斷器的特性曲線如圖6所示。當(dāng)儲(chǔ)能電源的工作電流為600 A時(shí)，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間（即熔體熔斷后切斷主電路）大于10000s;當(dāng)儲(chǔ)能電源的工作電流為900 A時(shí)，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間大于4000s;當(dāng)儲(chǔ)能電源的工作電流為1000 A時(shí)，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間為900～1000 s。儲(chǔ)能電源的持續(xù)充放電電流為600 A，瞬時(shí)（30 s內(nèi)）峰值充放電電流為900A，故其配置的熔斷器可有效進(jìn)行主電路的短路過(guò)流保護(hù)。

超級(jí)電容的工作溫度范圍為-20～55 ℃，儲(chǔ)能電源內(nèi)每個(gè)模組均設(shè)置1個(gè)溫度傳感器。儲(chǔ)能電源管理系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電源內(nèi)部所有超級(jí)電容單體的溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到平均溫度超過(guò)45 ℃時(shí)，儲(chǔ)能電源發(fā)送預(yù)警信號(hào)，建議動(dòng)車(chē)組回庫(kù)后進(jìn)行檢修;當(dāng)平均溫度超過(guò)55℃時(shí)，儲(chǔ)能電源發(fā)送過(guò)溫報(bào)警信號(hào)，通過(guò)K01中斷儲(chǔ)能電源的使用。

4 儲(chǔ)能電源的性能特點(diǎn)

（1）節(jié)能環(huán)保?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車(chē)組牽引時(shí)，儲(chǔ)能電源可以短時(shí)提供大功率供列車(chē)啟動(dòng)加速，因此可配置功率小、體積小、質(zhì)量小的柴油機(jī)動(dòng)力包，從而減少動(dòng)車(chē)組的質(zhì)量和輪軌沖擊，且可降低車(chē)輛噪聲;制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)反饋的制動(dòng)能量可以被超級(jí)電容吸收存儲(chǔ)，供下次列車(chē)啟動(dòng)使用，實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用，可以起到節(jié)能減排的效果。

（2）安全可靠。防火設(shè)計(jì)滿(mǎn)足最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN 45545-2 ： 2013《Railway applications -Fire protection of railway vehicles -Part 2 ： Requirement for fire behaviour of materials and components》;動(dòng)車(chē)組可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能電源的狀態(tài);儲(chǔ)能電源及動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)均具備切斷整套供電系統(tǒng)的保護(hù)功能，提高了動(dòng)車(chē)組的安全性能。

（3）方便檢修。在儲(chǔ)能電源的組裝、維護(hù)過(guò)程中，工人無(wú)須觸碰高壓電氣連接銅排，無(wú)須拆裝銅排緊固件，而是通過(guò)推拉模組托盤(pán)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行自斷電。

5 應(yīng)用

本文闡述的儲(chǔ)能電源系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，符合動(dòng)車(chē)組運(yùn)用需求。根據(jù)在某動(dòng)車(chē)組上進(jìn)行的儲(chǔ)能電源牽引性能試驗(yàn)，記錄各速度、牽引極位下的數(shù)據(jù)后繪制的牽引特性曲線與標(biāo)準(zhǔn)牽引特性曲線分別如圖7和圖8所示。

由圖8可知，100%極位時(shí)動(dòng)車(chē)組在速度為20 km/h時(shí)的牽引輸出功率為500 kW，然后持續(xù)恒功率輸出，直到動(dòng)車(chē)組達(dá)到120 km/h。儲(chǔ)能電源在動(dòng)車(chē)組牽引試驗(yàn)過(guò)程中，在速度為20 km/h時(shí)，牽引輸出功率達(dá)到了500 kW以上，如圖7深藍(lán)色點(diǎn)位所示，故本文研制的儲(chǔ)能電源試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組需求，具備大電流持續(xù)充放電能力，功率發(fā)揮曲線穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了儲(chǔ)能電源的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，最終用具體實(shí)例驗(yàn)證了其相應(yīng)指標(biāo)均達(dá)到動(dòng)車(chē)組的需求。該儲(chǔ)能電源的成功研制實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、減排的環(huán)保目標(biāo)，為混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究提供了良好的借鑒，可將其用于機(jī)車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、城市軌道交通儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力動(dòng)車(chē)組（EMU）、通信、國(guó)防等領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益前景蔚為可觀。

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收稿日期 2020-04-29

責(zé)任編輯 黨選麗