■ 綦芳 邵克成 王维

0 引言

低地板车是客运量介于地铁和公交车之间的一种交通方式，以技术先进、环境污染小、节约能源、投资少且建设周期短等特点倍受关注，国内已有多个城市规划有轨电车线路。供电方案是有轨电车的关键技术之一，也是业主在车辆选择过程中的关注重点。

由于接触网对于景观的影响，国内对于部分接触网和无接触网供电的需求越来越迫切[1]。随着动力电池技术的发展，其应用于低地板车成为可能。介绍低地板车的供电技术，并以南京河西有轨电车1号线为例，探讨供电方案的选择及基于动力电池的部分无接触网供电技术。

1 供电方案选择

1.1 低地板车供电方式

供电技术按照不同的分类原则有不同的分类方法。根据供电能量是否来源于接触网可分为3种：传统的全线接触网供电，部分区间有网、部分区间无网的部分无接触网供电，全线无接触网供电。根据能量来源可分为3种：接触网供电、车载储能装置供电和非连续式供电。

（1）接触网供电：架空接触网供电是轨道交通车辆最常用、最成熟的供电方式之一[2]，可靠性高，对车辆性能没有限制，但影响城市景观。

（2）车载储能装置供电：主要包括动力电池供电方案、超级电容供电方案及动力电池与超级电容相结合的供电方案。超级电容充放电速度快、寿命长、功率密度大，但能量密度小；动力电池的能量密度高，体积小、质量轻，但功率密度和寿命不及超级电容。

（3）非连续式供电：主要包括基于感应供电原理的Primove系统、地面供电Tram Wave系统和基于无线电控制的APS系统[3]。这3种供电方式的共同特点是对景观无影响。Primove系统是完全的无接触式供电部件，无磨耗，但存在传输功率的限制，且效率低。第三轨和集电靴磨耗都非常高，维护成本高；在雨天或轨面积水情况下，车辆经过时，Tram Wave系统存在短路或触电的可能，APS系统则无法正常运行。

1.2 线路情况及方案选择

南京河西有轨电车1号线位于河西新城，连接新城中、南部片区。起点位于地铁2号线奥体东站区域，终点位于新河路中段。全长7.76 km，全线共设车站13座，平均站间距640 m。

河西新城是商务、商贸、文体三大功能为主的城市副中心，是2014年青奥会的主赛场，整个城区的线缆均设置在地下。河西新城的规划和定位决定1号线不能采用全线接触网的方案；线路紧邻长江，存在被淹没的风险，采用APS和Tram Wave存在安全问题，且成本高，维护困难；Primove尚处于研究阶段，因此决定采用车载储能的供电方案。

低地板车对于车载储能装置的需求至少应满足以下几个方面：

（1）安全。低地板车是公共交通工具，若发生安全事故将带来严重影响，因此首先要满足安全的要求。

（2）功率。在站间无接触网区段，整列车的动力都来源于动力电池，因此功率必须能满足整列车的功率需求。

（3）能量。至少要满足一站或几站，并留有裕量以满足堵车、十字路口停车、因变电站故障无法充电等意外情况的能耗需求。

（4）体积和质量。低地板车的设备均位于车顶，安装储能装置的空间有限；因为轴重的限制，对质量有苛刻的要求，因此对储能装置的功率和能量密度都有很高的要求。

（5）寿命。储能装置的寿命直接决定了其全寿命周期成本，业主要求寿命达到6年。

基于当时的技术发展，超级电容的能量密度太小，无法满足车辆对于体积和质量的要求；超级电容和动力电池相结合的方案控制复杂、成本高，因此选择了动力电池作为车载储能装置。

2 车辆概况

2.1 编组

车辆编组方式见图1。车辆采用模块化组装，包含5个基本模块，其中1个转向架模块，2个转向架模块加司机室模块，2个悬浮的客室模块，互相之间用铰接装置相连，形成一列车。整车包含3个转向架，中间为拖车转向架，两端为动车转向架。

2.2 牵引制动性能

电气牵引系统为变压变频的交流传动系统，供电电压为DC 750 V。车辆的牵引制动特性见图2。

2.3 牵引系统配置

每辆车配置一架受电弓，设置在BM3模块，用于在有接触网的区段给车辆供电并给动力电池充电。牵引变流器和辅助变流器的前端分别设置了熔断器进行短路保护，避雷器防止系统由于闪电或牵引变电站故障所造成的过压。

车辆配置2台牵引逆变器、2台制动电阻及冷却单元、2台辅助逆变器、4台牵引电机和6个接地回流装置。牵引变流器采用双重逆变器模块，每个牵引逆变模块控制一台电机，内部集成了双向DC/DC模块，对动力电池进行充放电。车辆主回路见图3。

3 具体供电方案

3.1 站台设置

基于动力电池的性能和停站时间的限制，仅靠停站时间无法补充足够的能量，无法满足能量的平衡，因此采用了动力电池和站台接触网相结合的供电方案。站台区域设接触网，每站设置90 m，沿站台中心对称分布（见图4）。站间无接触网，对城市景观无影响。在有接触网区域（列车进站、停站及加速阶段）给动力电池充电，在站间无接触网的区域由动力电池为列车提供电能。

3.2 动力电池系统配置

图1 车辆编组

图2 牵引制动特性曲线

图3 车辆主回路

动力电池的具体配置受以下因素影响：（1）车辆性能，主要是车辆在无接触网运行模式下的加速度和最大功率；（2）线路条件，主要是平均站间距和坡道；（3）辅助设备的功率。综合以上几方面，南京河西有轨电车1号线的动力电池选用能量密度和功率密度已优化的动力电池，具体参数见表1（每辆车配置2组动力电池，表中数据为1组电池的参数）。该电池单位体积质量存储的能量大，体积小、质量轻，满足低地板车的应用要求，适用于中长距离无接触网的线路应用。

图4 供电方案示意

表1 动力电池性能参数

3.3 充放电控制

在站间无接触网的区段由动力电池供电，南京河西有轨电车1号线站间动力电池的能耗都在5 kW·h以内，采用站站补充能量的方案，在每站电制动期间、停站时间通过接触网受电弓对牵引蓄电池进行充电；在出站加速的有网区段，通过受电弓对车辆进行供电的同时给动力电池进行充电。这样，每站消耗的能量可以得到及时补充，车辆一直处于类似于初始的状态，对持续运行的时间没有限制。电池充放电状态曲线见图5。

3.4 冷却系统

南京有轨电车1号线动力电池采用液冷的方案，保证精确的温度控制，使电池工作在最佳的温度范围。在正常温度范围内，动力电池可以满功率地充放电，超过一定温度，开始限制电池的功率，达到更高的设定值则停止运营。

图5 电池充放电状态曲线

4 需求验证

4.1 安全性

动力电池的设计考虑了动态的安全因素（如温度和电压），以保证安全运行。单元和模块符合欧洲标准，同时系统考虑了以下几种保护措施。

（1）冗余保护结构。由电池管理系统实现整体的控制、监测及与外部的通信；同时设置安全控制单元，实现了监控冗余。

（2）过压和欠压保护。避免过压或由于深度放电而损坏部件，每个电池单元设置电压测量单元，实现单体电压的测量，并通过电池管理系统实现过压和欠压保护。

（3）过流保护。安全控制单元回路设置电流传感器来测量电流，实现过流保护；系统设置主接触器，在过流情况下电池管理系统可控制其断开。在充电和放电过程中，电池管理系统不断计算和实施电流限制，牵引变流器通过持续监控电池管理系统的电流限制来避免过流；通过线路熔断器和电芯所带的熔断器，实现被动过流保护或短路保护。

（4）过温保护。每个模块设有多个温度传感器保证温度测量，通过电池管理系统和安全控制单元实现过温保护。

4.2 功率

由车辆的牵引特性可知，车辆的最大牵引功率为611 kW，2组动力电池的最大放电功率为720 kW，满足车辆对储能装置功率的需求。

4.3 能量

目前，无论是电动汽车还是电动巴士，通常的做法是车载存储装置配置可运行一天的能量，如果有轨电车按照此种模式，以南京河西有轨电车1号线为例，每天运行17 h，每小时运营一个往返，每个往返消耗120 kW·h能量，则至少需配置2 040 kW·h，体积和质量无法承受。采用每站能量平衡的方案，车载的储能需求可以大大降低，98 kW·h的能量就可完全满足需求。

4.4 体积和质量

每组动力电池及其冷却系统的体积为1 800 mm×950 mm×600 mm，质量为840 kg，可以满足车辆对于储能装置空间和质量的要求。

4.5 寿命

影响动力电池寿命的主要因素为以下几个方面：

（1）电芯的工作温度。采用液冷方式并配置温度控制单元，保证电芯工作在合适的温度范围。

（2）电池的充电状态（SOC）。电池的初始容量选择了50%，且消耗的能量可以得到及时的补充，因此一直处于可满功率放电的状态。

（3）电芯休息时温度。电池组设置了保温功能，若长时间停放可使电池处于一个比较好的温度范围内。

（4）充放电深度（DOD）。对蓄电池寿命周期影响最强大的一个因素就是充放电深度，锂电池深度充放电寿命一般是几千次，南京河西有轨电车1号线所选择的动力电池放电深度为80%时的寿命为5 600次。本项目动力电池在运行过程中充放电的深度较小，由图5可以看出放电深度在5%以内，工作在浅充放的状态。电池供应商经过理论分析及试验验证证明：动力电池在浅充放的状态下整个寿命周期可放出的容量约是深充放情况下的10倍左右。

南京河西有轨电车1号线车辆每年运行300 d，每天运行17 h，每小时运营一个往返，每个往返放电24次，每年动力电池的充放电次数为300×17×24=122 400次。

深充放电池整个寿命周期内可放出的能量为98×80%×5 600=439 040 kW·h，浅充放电池整个寿命周期内可以放出的能量约为4 390 400 kW·h。电池的寿命为4 390 400/5/122 400=7.17年。

因此，南京河西有轨电车1号线项目的动力电池寿命可以达到7年，满足寿命的需求。

4.6 意外停车

电池的初始容量为50%，正常情况下一站消耗的电能为5%左右，约5 kW·h。两站不充电，所需能量为15 kW·h；意外停车10 min，空调全载2 min，按照70 kW计算，空调半载8 min，按40 kW计算，70×120/3 600+40×480/3 600=2.3+5.3=7.6 kW·h；意外停车启动3次（每次能耗2 kW·h），所需能量为6 kW·h。

即使以上几种意外情况同时发生，所需的能量为15+7.6+6=28.6 kW·h，所配置的动力电池依然可以满足能量的需求。因此，动力电池的方案不仅能满足正常运营的要求，也能够解决意外停车的情况。

5 结束语

无接触网供电技术是低地板车辆领域新兴的技术，是很有发展前景的技术。目前动力电池的发展水平可实现部分无接触网供电，但对于全线无接触网供电还有一定困难，实际运营效果也有待正式运营的检验。如果动力电池的功率密度进一步提高，寿命进一步改善，动力电池在低地板车辆无接触网供电技术上的应用将具有更加广阔的前景。

[1] 李娜，陈小洪，雄文. 考虑用户偏好的有轨电车景观研究[J]. 城市交通，2009(9)：72-77，20.

[2] 沈继强. 现代有轨电车车辆选型和供电方式[J]. 中国市政工程，2012(5)：68-71，75.

[3] 柴适. 有轨电车供电新技术[J]. 城市公共事业，2011(4)：53-54.