应用于混合动力动车组的大功率高密度储能电源研制

付亚娥 张能孝 毛业军

摘 要：结合城市轨道交通车辆的电气系统及储能电源的工作原理，介绍一种应用于混合动力动车组的储能电源总体设计，从储能电源的主要技术参数、电气原理，以及保护电路等方面阐述该储能电源的技术优势和特点。

关键词：城市轨道交通;混合动力;大功率;高密度;储能电源;保护电路

低碳、绿色、智能的交通系统已越来越受到世界的欢迎。储能式现代有轨电车以其能耗小、线路投资低、无须架设供电网线的特点，近年来得到全国多地区的认可及推广。目前，储能电源在城市轨道交通车辆领域已具备一定的运用经验，现有储能式现代有轨电车采用的储能电源均安装在车顶位置，在储能电源的组装或检修过程中工人均需攀爬车顶、触碰电气连接铜排和拆装铜排紧固件，存在检修耗时长、检修工人的人身安全隐患等不足。同时，储能电源系统补充能量的方式均采用充电站的方式，因此站台旁边需要配置充电装置。本文将介绍一种应用于混合（柴-电）动力动车组的大功率高密度储能电源，当动车组运行在无弓网、无充电站的非电气化干线上，储能电源会通过动车组配置的动力包进行充电并吸收动车组制动过程中产生的能量，满足动车组的长途牵引需求。

1 混合动力动车组概述

1.1 动车组技术参数

动车组的设计速度为140km/h，启动加速度大于0.8m/s2，编组形式为-D1 + M1 + M2 + D2 -，其中：D为拖车（带司机室和动力包），M为动车（带变流器和动力转向架），-为美国铁路协会（AAR）标准的10A钩头司机室端车钩，+为半永久牵引杆。

1.2 动车组牵引系统

动车组牵引系统采用柴-电混合动力方案，主要由动力包（PMG）、永磁发电机（Engine）、AC/DC整流器、DC/DC整流器、储能电源、主辅一体式变流器、制动电阻和牵引电机（M）组成，动力包与储能电源共同为动车组供电。其电气拓扑图如图1所示。

2 储能电源概述

储能电源是混合动力动车组的储能装置，安装于车辆底部，主要功能有：

（1）在列车牵引工况下，储能电源和动力包同时给变流器供电，由于储能电源短时大功率输出特性，动车组在短时内能加速到最高运营速度;

（2）在列车惰行工况下，动力包除少量功率用于维持列车恒速运行外，多余的功率用于给储能电源充电，以备下阶段储能电源牵引功率输出;

（3）在列车制动工况下，牵引电机将列车动能转化为电能给动车组供电，同时将多余的能量储存到储能电源中，实现能量的回收及循环利用。

混合动力动车组储能电源由机箱、42个超级电容模组（包含电压均衡单元）、主控单元、电流/电压传感器、熔断器、双极直流接触器、闸刀簧片、散热风扇等组成。这些零部件设计成模块化托盘的方式，在储能电源的组装、维护过程中，工人无需触碰高压电气连接铜排和拆装铜排紧固件，只需通过推拉模组托盘就可使储能电源实现自合/断高压电路，保障检修维护的安全。

储能电源采用60000F电池电容器作为储能元件，60000F电池电容正极复合材料是以碳纳料管+复合糖类作为碳源包覆的纳料级磷酸铁锂，负极复合材料为石墨、软碳、硬碳三元复合材料，该储能元件突破了以往超级电容（3000F、9500F等）低能量密度、体积密度的技术壁垒，具有高比能量、高比功率、长寿命的特点。储能电源的主要技术参数如表1所示。

储能电源采用车底悬挂的安装方式，以客室空调废排作为冷却源保证散热效果，其整体布局如图2所示。

储能电源的主要零部件是42个超级电容模组，为减小纵向和横向的尺寸，将储能电源箱设计为上、下2层安装模组的结构，42个超级电容模组分别安装在21 个托盘上，形成14 个模组托盘组件和7个断电模组托盘组件，每一纵列2个模组托盘组件和1个断电模组托盘组件之间通过推拉的方式装入箱体内，在推拉的过程中自动合/断电（刀开关的方式）连接。储能电源两侧各配置6个风机组件，风机的检修维护无须打开箱体柜门，可以直接在箱体外侧拆卸风机组件的紧固件。储能电源箱柜门上设计防脱落装置，防止柜门松动及脱落。储能电源的电器部件（如双极直流接触器、电流传感器、熔断器等）设计成模块化，主电路及控制电路中的所有器件均安装在器件托盘组件上，器件托盘组件的安装也是采用推拉的方式。

纵向的超级电容模组之间的电连接采用刀开关形式，如图3所示。储能电源在组装过程中，先将14 个模组托盘组件安装到储能电源箱内，然后把横向的超级电容模组间用连接铜排1和紧固件连接好，再将另一侧已用连接铜排2连接好的断电模组托盘组件依次推入，至此整个储能电源箱内的超级电容模组之间的电路已串联闭合，无需人工触碰高压回路上的电连接部件（如铜排、紧固件等）。

3 储能电源电气设计

3.1 主电路原理图设计

储能电源的主电路原理示意图如图4所示，主要由输入回路的正极熔断器（F01）、双极直流接触器（K01）、电流传感器（B02）、超级电容模组及电路（C01～C42）、电流传感器（B03）、负极熔断器（F02）、电压传感器（B01）、控制单元及对外相连的端子（如P1、P2、N1、N2）等组成。

3.2 工作原理

当储能电源电压在DC 630～870 V内，可给动车组提供牵引力，此时储能电源经过B02、K01和F01后给动车组牵引系统供电;当储能电源电压低于DC 630 V时，由柴油机或动车组制动过程中产生的能量对储能电源进行充电，即经过F01、K01和B02后给超级电容模组充电。控制单元负责监控储能电源的运行状态，42个超级模组上的电压均衡单元通过内部通信接口J1、J2进行控制器局域网络（CAN）通信串聯（终端电阻R1安装在模组C42上），将采集到的42个超级电容模组的电压、温度等状态数据通过CAN通信发送给控制单元，正负极熔断器、电流传感器、电压传感器等的状态数据通过硬线发送给控制单元，然后控制单元将计算出的输出电压、温度及器件状态等数据发送给动车组，以实现动车组对储能电源的实时监控。

3.3 保护电路设计

储能电源系统及动车组牵引系统均具备切断DC 110 V供电系统的功能，即通过硬线电路来控制K01的通断。如图5所示，储能电源对DC 110 V供电的切断是通过内部的控制单元、二极管四线端子（V01）、中间继电器（K02）再到双极直流接触器（K01）进行控制;动车组对储能电源的切断是通过控制双极直流接触器实现的。

中间继电器（K02）的状态如表2所示。

当储能电源管理系统（CMS）检测到Cxx号模组超温报警或模组内单体过压报警时，控制单元向动车组发送请求切除储能电源信号，5 s后控制单元提供DC24 V信号（控制单元高电平），使K02的A1线圈得电、触点51、52常闭。动车组手动切除储能电源信号后，动车组完成卸载，断开DC 110 V信号（低电平），K01的A1、A2线圈失电，此时图5中K01的常开触点13、14断开，图4中K01的主触头1、2断开。

当满足超温报警模组温度≤52 ℃时，模组高温报警故障解除;当过压报警模组故障解除后，DC 24 V信号断开（低电平），K02的线圈A1失电，K02常闭触点51、52闭合，此时K02为失电状态，并将此状态上报给动车组，动车组继续根据其他条件判断是否可以闭合接触器且执行相应命令。当动车组判断到接触器可接通，便提供DC 110 V信号（高电平），此时，K01的A1、A2线圈得电，常开触点13、14闭合，K01接通。

中间继电器（K02）、动车组DC 110 V控制信号、双极直流接触器（K01）三者的对应状态如表3所示。

储能电源内部装有烟温探测器，当检测到箱体内部有烟雾，则会启动动车组的火灾报警，此时动车组DC110 V电源供电断开，K01的A1、A2线圈失电，常开触点13、14断开，主触点1、2也断开，动车组切断储能电源。

储能电源的正负极输入端分别设置了熔断器进行主电路的短路过流保护，熔断器的特性曲线如图6所示。当储能电源的工作电流为600 A时，熔断器的动作时间（即熔体熔断后切断主电路）大于10000s;当储能电源的工作电流为900 A时，熔断器的动作时间大于4000s;当储能电源的工作电流为1000 A时，熔断器的动作时间为900～1000 s。储能电源的持续充放电电流为600 A，瞬时（30 s内）峰值充放电电流为900A，故其配置的熔断器可有效进行主电路的短路过流保护。

超级电容的工作温度范围为-20～55 ℃，储能电源内每个模组均设置1个温度传感器。储能电源管理系统对储能电源内部所有超级电容单体的温度进行监控，当检测到平均温度超过45 ℃时，储能电源发送预警信号，建议动车组回库后进行检修;当平均温度超过55℃时，储能电源发送过温报警信号，通过K01中断储能电源的使用。

4 储能电源的性能特点

（1）节能环保。混合动力动车组牵引时，储能电源可以短时提供大功率供列车启动加速，因此可配置功率小、体积小、质量小的柴油机动力包，从而减少动车组的质量和轮轨冲击，且可降低车辆噪声;制动时，牵引电机反馈的制动能量可以被超级电容吸收存储，供下次列车启动使用，实现能量循环利用，可以起到节能减排的效果。

（2）安全可靠。防火设计满足最新的国际标准EN 45545-2 ： 2013《Railway applications -Fire protection of railway vehicles -Part 2 ： Requirement for fire behaviour of materials and components》;动车组可实时监测储能电源的状态;储能电源及动车组牵引系统均具备切断整套供电系统的保护功能，提高了动车组的安全性能。

（3）方便检修。在储能电源的组装、维护过程中，工人无须触碰高压电气连接铜排，无须拆装铜排紧固件，而是通过推拉模组托盘对超级电容进行自断电。

5 应用

本文阐述的储能电源系统已成功应用于某动车组项目，各项指标均达到相关标准和设计要求，且运行稳定可靠，符合动车组运用需求。根据在某动车组上进行的储能电源牵引性能试验，记录各速度、牵引极位下的数据后绘制的牵引特性曲线与标准牵引特性曲线分别如图7和图8所示。

由图8可知，100%極位时动车组在速度为20 km/h时的牵引输出功率为500 kW，然后持续恒功率输出，直到动车组达到120 km/h。储能电源在动车组牵引试验过程中，在速度为20 km/h时，牵引输出功率达到了500 kW以上，如图7深蓝色点位所示，故本文研制的储能电源试验数据满足动车组需求，具备大电流持续充放电能力，功率发挥曲线稳定。

6 结语

本文详细介绍了储能电源的设计与结构，最终用具体实例验证了其相应指标均达到动车组的需求。该储能电源的成功研制实现了节能、减排的环保目标，为混合动力动车组系统的开发和研究提供了良好的借鉴，可将其用于机车储能系统、风力发电、城市轨道交通储能系统、电力动车组（EMU）、通信、国防等领域，经济和社会效益前景蔚为可观。

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收稿日期 2020-04-29

责任编辑 党选丽