有轨电车混合动力系统典型站点之间的控制策略分析
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摘要：本文介绍了有轨电车混合动力系统的构成结构，并对组成混合动力系统的不同形式的动力源进行了优劣分析。通过分析有轨电车在典型站点间的行驶过程中，其上搭载的混合动力系统的超级电容与钛酸锂锂离子电池的电能输出情况，给出了混合动力系统中两种动力源较为合理高效的分工控制策略。
关键词：混合动力;有轨电车;超级电容;钛酸锂锂离子电池（LTO）控制策略
中图分类号：U267.1 文献标识码：B 文章编号：1003-9082（2020）04-0-01
一、混合动力系统常用电源特性分析与比较
蓄电池充放电的过程就是电池内部化学能与电能相互转化的过程，主要的优点是安全性好、价格便宜、适用范围广。目前，用于车用的蓄电池的主要有：镍氢电池、锂离子电池、钛酸锂锂离子电池（LTO）、铅酸电池等。
LTO为一种新型的负极材料，可以与三元材料、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂等锂离子电池中的正极材料搭配，组成LTO钛酸锂锂离子电池，组成的电池具有优异的循环性能、大电流充放电性能、良好的低温性能和出色的安全性能，被认为是下一代锂离子电池负极材料的有力竞争者，而其优异的安全特性和低温性能，特别适合在轨道交通行业的高要求。本文将选用LTO锂离子电池（简称LTO）作为混合动力系统中除了超级电容之外的主要组成。
二、混合动力系统拓扑结构分析
在混合动力系统中，将锂离子电池的比能量优势和超级电容的比功率优势结合起来，根据实际情况和设计需求决定系统的拓扑结构选择，搭建出经济性能良好的混合储能动力系统。总动力系统的电气拓扑图基于伊利诺斯理工大学的Cao等人提出的半主动式复合储能系统构型[1].该系统构型中，电池和超级电容之间使用了一个双向DC/DC变换器和一个二极管（或受控开关），DC/DC变换器可以保证在大多数工况下超级电容的电压高于电池的电压，但只有在超级电容电压低于电池电压（阀值）或者控制人员直接切换输出源的情况下，电池则可不经过DC/DC而直接提供能量。因为电池也不直接参与回收制动能量，所以电池的负载相对平稳，该构型有利于延长电池的使用寿命。
图1;半主动式构型
详细的电池系统和DC/DC的电路拓扑图如图2.
图2;电池系统拓扑图
三、混合动力有轨电车控制策略
车辆参数：牵引力62kN、AW3 重量：55t、最高速度70km/h、辅助功率50kw。能量配置为：超级电容储能单元10kWh，LTO储能单元30kWh。行进过程中，优先采用超级电容的能量输出工况，但驾驶员也可以依据具体情况切换输出能量源。控制思想如下：
（1）牵引状态：优先采用超级电容供电，在超级电容电能不足的情况下，采用动力电池补充;
（2）制动状态：优先采用超级电容能量吸收，适电容容量情况及车速，保证超级电容留有一定的余量，以便下一次制动吸收;
（3）所有上述操作对司机来说是透明的;
车辆在首站将超级电容充电到900V，动力电池通过DC/DC单元充满电（设计的满电点）。车辆刚开始启动时由超级电容直接供电，DC/DC单元不工作（当且仅当超级电容电压低于680V时，DC/DC单元才工作），运行过程中超级电容电压会随着车辆的运行而降低，如果有突然的制动工况，则由超级电容直接进行能量吸收，若母线压低于680V，则DC/DC开始满功率工作，向高压母线供电，并随着车辆速度的提升限流降压。
四、基于控制策略下的储能系统输出
例1.以某兩个具体站点耗能仿真计算为例，站点行驶距离860米，间隔时间149s，超级电容放电电量及LTO钛酸锂储能单元总共贡献4.25kWh，其中，超级电容放电约4.25kWh，LTO钛酸锂储能单元放电为零，制动回馈约0.64kWh。
在此段站点之间，超级电容储能单元作为主要的动力输出源，提供了全部的能量输出，相对应的，LTO钛酸锂储能单元则并未放电。
总结
通过构建合理的控制策略和适当的储能系统能量配置，超级电容与钛酸锂锂离子电池混合储能在有轨电车的实际应用中，短航程中，由超级电容作为主要的动力输出源，长航程中，由钛酸锂系锂离子电池作为主要动力输出源，超级电容负责削峰填谷。两者结合完全可以在有轨电车混合动力车型中占有一席之地。此外，钛酸锂系锂离子电池储能单元也可以在超级电容无法使用或者中途充电站损坏的情况下，作为主要储能单元负责整车的运行。
参考文献
[1]CaoJ，EmadiA.Anewbattery/ultracapacitorhybridenergystoragesystemforelectric，hybrid，andplug-inhybridelectricavehicles[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2012，27（1）：122-132.
作者简介：郭磊（1985-），男，汉族，硕士，主要研究方向有轨电车混合动力系统优化。
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