轨道交通列车车载动力电池储能系统关键技术研究

摘要

城市轨道交通架空接触网在景区或商业区会带来视觉污染。此外传统城轨列车采用电阻能耗制动或机械制动，制动能量以热能形式白白浪费了。本文依托十一五国家科技支撑重点项目:“低地板轻轨车牵引传动控制技术开发及装备研制”，以及其延续课题:“动力电池应用研究—牵引及动力电池充放电控制系统研制”，以车载动力电池储能系统功能实现为目的，围绕配合列车运行的双向DC/DC主电路控制策略研究展开工作，达到使列车能够在无接触网线路运行和吸收列车再生制动能量的目标。
　　首先根据列车在无电区的运行负荷特性分析提出储能系统的能量和充放电功率需求。由于列车在加速和制动过程中列车受力不恒定，普通计算方法不能满足对牵引能耗和功率计算，因此本文采用基于分区间的递推法进行计算。由储能系统的能量和充放电功率需求对比选择钛酸锂电池作为储能元件。根据储能系统的应用场合对钛酸锂动力电池进行容量配置，并对动力电池的充放电特性进行分析。
　　然后对储能系统主电路和控制系统进行设计。由储能系统的需求对比选择Buck/Boost双向DC/DC变换器作为主电路，并采用直接的PWM驱动方式。根据主电路的主要技术参数对主电路核心器件进行设计。分功能和分模块对控制系统进行设计。
　　在储能系统需求分析和主电路设计的基础上分有接触网充电和无接触网运行两种模式对储能系统控制策略进行研究。根据钛酸锂电池的特性，在有接触网充电模式下采用电感电流环的控制策略。在无接触网运行模式下储能系统主要目的是稳定中间直流电压。为了控制电池的充放电电流和提高储能系统应对负载突变的能力，无接触网模式下采用中间带负载电流前馈的直流电压外环电感电流内环控制策略。在MATLAB上建立仿真模型并对控制策略进行仿真验证。
　　最后，搭建储能系统样机，分别在实验室对拖平台和长春轻轨现场完成储能系统各项功能的实验和测试。在实验室平台上进行慢速和快速充电、负载突变和电流双向流动实验，验证了主电路和控制策略设计正确。在长春轻轨现场主要进行基本牵引制动性能、7级牵引制动性能、紧急制动性能、高低SOC制动牵引性能和续航性能进行测试。测试结果表明，储能系统性能满足设计需求。
　　通过仿真、实验和现场测试结果表明，储能系统硬件和控制策略设计合理，各项技术指标达到了设计需求。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题研究背景和意义

1．2 车载储能系统国内外研究及应用现状

1．3 本文的主要内容和工作

2 轻轨列车负荷特性与动力电池特性研究

2．1 轻轨列车负荷特性分析

2．2 无电区牵引能量和功率需求计算

2．2．1 牵引恒转矩阶段(A-B区间)

2．2．2 牵引恒功率阶段(B-C区间)

2．2．3 制动恒转矩阶段(D-E区间)

2．2．4 匀速阶段(C-D区间)

2．2．5 运行1km的功率和能量需求

2．2．6 曲线附加阻力能耗

2．2．7 列车停站辅助能耗

2．3 储能元件设计

2．3．1 储能元件成组重量

2．3．2 储能元件成组功率

2．3．3 储能元件综合性能

2．3．4 动力电池容量配置

2．4 动力电池充放电特性

2．4．1 倍率充电特性

2．4．2 倍率放电特性

2．4．3 低温充放电特性

2．5 本章小结

3 车载动力电池储能系统设计

3．1 车载动力电池储能系统结构

3．2 储能系统变流器主电路设计

3．2．1 主电路设计需求

3．2．2 双向DC-DC变换器拓扑选择

3．2．3 PWM驱动方式设计

3．2．4 主电路拓扑设计

3．3 主电路核心器件设计

3．3．1 IGBT选型

3．3．2 电感设计

3．3．3 预充电电路和接触器设计

3．4 控制系统设计

3．4．1 总体架构

3．4．2 A／D采样单元设计

3．4．3 IGBT驱动设计

3．4．4 保护逻辑设计

3．5 本章小结

4 储能系统控制策略仿真研究

4．1 有接触网充电控制策略研究

4．1．1 有接触网充电控制策略

4．1．2 仿真验证

4．2 无接触网运行控制策略研究

4．2．1 无接触网运行控制策略

4．2．2 仿真验证

4．3 本章小结

5 实验及波形分析

5．1 储能系统实验平台

5．2 控制策略实验验证

5．3 装车运行试验

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

附录A 实物及实验照片

作者简历

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