适用于有轨电车的双向DC/DC电源

适用于有轨电车的双向DC/DC电源

王融都  岳伟

中车株洲电力机车有限公司       湖南株洲         412000

摘要：本文基于电容与电池混合储能系统的高能量密度与高功率密度的优势，设计了一款适用于混合动力储能系统的双向DC/DC电源，实现了储能式有轨电车续航里程与经济性的提升。

关键词：有轨电车；双向DC/DC电源；混合储能动力系统；

0 引言

随着有轨电车储能式车辆的高速发展以及电池储能技术的进步，动力电池与超级电容共同组成的混合式动力储能系统开始在有轨电车上应用，为解决两者电压等级不同的问题，车载双向DC/DC电源系统应运而生。

1 简介

超级电容具有容量大，充放电时间短，循环寿命长，功率密度高，能量密度低的特点，这使得搭载由超级电容单体组成的储能电源的有轨电车具备到站充电，即停即走的特点，利用到站等客的时间就能实现储能电源的充电过程。但超级电容能量密度的特点使得有轨电车也面临动力性能弱与续航困难，以及沿途充电站点数量多，建设成本高等问题。

随着近年来电池储能技术的进步，钛酸锂电池、三元锂电池、磷酸铁锂等锂电池逐渐进入大众视野[2]。锂电池具备高能量密度，低功率密度的特点，能够补偿超级电容能量密度低的缺点。因此将锂电池与超级电容组合使用的混合式储能电源能够兼具两者的优点，实现储能式有轨电车动力性能与储能增程的要求。

本文基于超级电容和锂电池的混合储能系统，研制适用于有轨电车应用的车载双向DC/DC电源系统。通过研究不同应用工况下混合动力储能系统的控制策略，智能控制车载双向DC/DC电源系统的投切时机，实现储能系统的最佳运用状态。

2 总体设计

车载双向DC/DC电源系统的总体框架如图1所示，由输入隔离开关（带熔断器）、输出熔断器、输入/输出接触器、预充电电路、电压传感器、电流传感器、DC/DC电源模块、支撑电容、滤波电感等部分等组成。

预充电电路在DC/DC电源模块启动运行之前给模块内部的电容预充电，防止出现启动瞬间输入过流的问题。输入/输出熔断器对车载双向DC/DC电源系统的输入和输出过流形成保护作用。DC/DC电源模块为电源系统的核心部分，采用IGBT器件作为开关管，减小开关损耗和导通损耗，降低整个电源系统的体积和重量。采用两个独立的DC/DC模块，保证单个模块发生故障时也能以较低功率工作，实现故障冗余。两个模块在高压侧和低压侧有公共EMC滤波器，结构完全一样。在车载双向DC/DC电源系统检修过程中，输入隔离开关能够将车载双向DC/DC电源系统内部的电气部件与外部的电路进行隔离。

图1 车载双向DC/DC主电路

2.1控制系统设计

如图2所示，整个控制系统主要由控制器以及两个单独的DC/DC模块、调试上位机、远程通信接口、信号采集和控制单元等部分构成。

控制器能够同时与外部的调试上位机、车辆控制系统进行通信，分析处理各个子系统上传的信息和数据，对整个系统进行综合的逻辑状态控制，决定电路的启动、预充电、充电、待机和停止各种工作模式，同时监控充电时的输入和输出的电压电流，避免装置出现欠压、过压和过流等现象。

控制器与调试上位机之间通过以太网接口通信。控制器实时上传电源系统的各种状态信息和运行数据，通过上位机的界面显示。利用上位机能够手动修改电源系统的控制参数，来改变充电的模式，以适用不同特性的储能装置。控制器与车辆控制系统之间通过MVB网络进行通信。电源系统内部的关键运行数据和故障信息可储存在控制器的存储器内，方便调取分析。

图2 DC/DC控制系统示意图

2.2控制策略

车辆的总体控制策略是当车辆运行时,优先使用超级电容储能电源给车辆供电，在储能电源能量不够时，由锂电池蓄电池进行补充，总体充电策略可分为以下两个方面：

1）给锂电池充电策略：

a.在有设充电站的站点停靠时：在给超级电容充电的同时给锂电池充电。

b.当车辆制动时，再生能量优先反馈至超级电容，超级电容电压高于门槛值时，双向DC/DC开通将能量反馈给蓄电池;

c.在终点站利用折返时间给蓄电池充满电。

2）给超级电容充电策略：

a.在有设充电站的站点停靠时，给超级电容充电；

b.车辆制动时，利用再生能量给超级电容进行充电;

c.超级电容电压降低至门槛值时，DC/DC开通，利用蓄电池给超级电容充电。

通过智能算法，车辆在站台停靠的一定时间内，使充入超级电容组和钛酸锂电池组总的能量最大。

3 试验验证

通过搭建试验环境模拟混合动力储能系统的实际工况，试验验证车载双向DC/DC电源的性能，研究实际的双向DC/DC电源的工作效率，采用上位机实时监控DC/DC电源的工作状态，并记录双向DC/DC电源工作时的电压、电流等相关参数。具体试验电路如图3所示。

图3 双向DC/DC电源试验电路

AC380V电源经变压器隔离输出相差30度的两组三相电压，经两个三相整流桥后整流为12脉波1000V直流电压，经三电平DC/DC输出为0-1000V可调直流电压作为试验电源，模拟超级电容电压。两台被测（DC/DC高压侧和低压侧并联，高压侧接试验电源直流输出，低压侧接滤波电容。一台DC/DC工作在高压到低压充电模式，另一台工作在低压到高压的放电模式，能量流向如图中箭头所示。两台充放电机构成了能量互馈系统，模拟能量在储能电源与蓄电池之间的流动。

4 结论

本文提出并验证了适用于有轨电车混合动力储能系统的车载双向DC/DC电源。通过车载双向DC/DC电源系统的智能化控制，有效提升储能系统安全可靠性及使用寿命，降低储能系统全寿命周期的成本，减少有轨电车的使用成本。

参考文献

    [1]    张弛.现代有轨电车车载混合储能系统能量管理优化研究[D].北京交通大学, 2018.   

    [2]    刘忠旭.电动汽车锂电池/超级电容复合储能系统能量管理策略研究[D].山东理工大学, 2019.

    [3]    王玙.现代有轨电车车载混合储能系统能量管理策略及容量配置优化研究[D].北京交通大学, 2020. 

    [4]    常守亮.超级电容—蓄电池复合电源的双向DC/DC变换器功率分配策略设计研究[D].江苏大学,2017.

    [5]    韦绍远.储能式有轨电车线路典型运行工况构建与车地储能系统优化[D].北京交通大学,2020.