成建国，文小龙

（1 深圳市地铁集团有限公司，广东深圳518000；2 深圳市华力特电气股份有限公司，广东深圳518000）

新型城市轨道交通车载储能系统的研制

成建国1，文小龙2

（1 深圳市地铁集团有限公司，广东深圳518000；2 深圳市华力特电气股份有限公司，广东深圳518000）

通过对列车电制动的原理进行分析，利用超级电容可以储存大电量、快速充放电等特点，在比较传统地面集中式储能系统的基础上，研制替代列车制动电阻的新型车载储能装置。该装置包括一次系统和二次系统。一次系统主要包括断路器、IGBT以及电容器组组成。二次系统主要是控制器，对升降压模块的IGBT进行控制以及算法计算等。该装置能够有效的减少轨道交通列车牵引能耗，减少地铁制动热量散发，降低涵洞温升，达到节能减排的效果，从而节约列车实际运营成本，具有较好的实用价值。

列车制动电阻；新型；车载储能系统；研制

在城市轨道交通中，城市轨道列车一般采用两种制动方式：电制动和空气制动（部分列车采用液压制动或磁轨制动替代空气制动）。其中电制动又分为再生制动和电阻制动。地铁列车制动过程中，优先采用再生制动［1］，当再生制动能量不能被接触网或地面储能装置吸收时，启动电阻制动。

电阻制动主要是将电能转换成热能，通过强迫风冷的方式消耗掉。由于城市轨道交通列车在正常运营时，其电制动相当频繁，电阻制动消耗的能量日积月累，是一个非常可观的数字。根据测算，上海地铁2号线，北新泾站至咸宁路站，一般情况下，制动电阻每天消耗的能量总和为10.8 k W·h［2］。上海地铁2号线共30个站，初步估算，制动电阻一年消耗掉的能量大约为11.8 ×104k W·h，消耗电费为10.6万元（按工业用电0.9元/k W·h计算）。

本文阐述了一种新的能量储存及利用装置，能够吸收列车电阻制动中消耗的能量，可以用来替代列车制动电阻，当电阻制动时，吸收能量；车辆牵引时，释放能量。

1 电阻制动能量吸收方案研究

传统的制动储能装置，即在牵引变电站上设置集中式储能系统，一般采用直接利用接触网或接触轨作为媒介，通过判断接触网或接触轨直流电压作为判断依据，进行充放电。原理框图如图1所示。

传统储能装置的优点是判断依据简单，原理相对简单；缺点是不能完全吸收电制动过程的能量，同时需要制动电阻配合，增加了车辆负担。

基于以上原因，本文阐述了一种新的装置，可以完全取代制动电阻，完全吸收电制动能量，该装置原理框图如图2所示。

新型车载储能装置从牵引单元原连接制动电阻处接入，通过直流降压模块，将电阻制动的能量吸收，然后通过直流升压模块，将储存的能量释放给接触网，提供本车辆或邻近车辆牵引驱动使用。

根据测算，上海地铁2号线高峰时通过北新泾站至咸宁路站，制动电阻消耗的能量为0.124 k W·h［2］。如果可以通过超级电容，在地铁列车制动时，将制动电阻消耗的能量储存。列车牵引时将能量释放，日积月累，就会为列车节约大量的能量，降低列车运营成本。

2 新型车载储能装置的原理实现

根据广州地铁一号线列车能耗分析［3］，单个制动电阻在行车高峰与低峰期间，制动电阻消耗能量绝大部分在0.1～1.0 k W·h之间。由于列车原有制动电阻质量约为380 kg。综合超级电容质量及容量考虑，本装置选用了1.0 k W·h作为超级电容最大可循环使用容量，这样，整个储能系统装置质量约为400 kg，与原有列车制动电阻相当。不会给列车运行增加额外质量负担。

该装置包括一次系统和二次系统。一次系统主要包括断路器、IGBT以及电容器组组成。二次系统主要是控制器，对升降压模块的IGBT进行控制以及算法计算等。

该装置详细原理图，如图3所示。

该装置主要包括连接单元、转换单元、电容器组以及控制器组成。

（1）连接单元

S1、F0正常充电连接回路；

K1、F1、R1预充电连接回路；

S2放电回路断路器；

D0、D3二极管，防止反向输入；

L2平波电抗器。

（2）转换单元

V1、V2、L1直流升降压回路。

（3）电容器组Cbank 超级电容器组；

V3、R2超级电容组完全放电回路。

连接单元与转换单元组成一路buck/boost电路，制动时，接触网电压升高到直流1 800 V时，DC 1 800 V通过直流降压电路转换成超级电容组电压。列车牵引时，当接触网电压低于直流1 600 V时，电容组电压通过直流升压电路，升成DC 1 600 V，供给接触网。

V1取值为1 152 V，这样需要24个超级电容模块，可循环充放电能量为1.05 k W·h。

参考列车制动电阻电流，本装置充放电额定电流为200 A。

（4）控制器

对一次系统的IGBT进行控制，并监测整个系统工作状态，提供温度、充放电电流以及状态指示等。

3 控制器的软硬件实现

控制器CPU采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335［4］。TMS320F28335是一款高性能的数字信号控制器，最高频率150 MHz，带浮点运算单元。完全能满足车载式储能系统运算控制需要。控制器的硬件框图如图4所示。

控制器包括充放电控制、电压检测、温度检测、风冷控制、信号指示以及通讯等。

控制器软件部分，采用TI DSP/BIOS5.X实时操作系统［5］，DSP/BIOS5.X为TI官方提供的免费实时操作系统。

软件总体框架如图5所示。

由于其他子任务为常规任务，因而本文只对充放电控制任务进行详细介绍。充放电任务流程框图如图6所示。

4 装置样机

根据本文描述的软硬件原理，我们研制出了控制器PCB板、直流升降压系统等，经市场调研，已采购超级电容组，并将组装样机。经过各种测试及试验验证合格后，按计划今年将安装在地铁列车进行应用考核。样机部分装置如图7～图8所示。

5 结束语

本文阐述了一种新型的城市轨道交通列车制动能量储存装置，该装置可以有效地利用目前列车电阻制动消耗掉的能量，可以完全替代列车制动电阻。使用该装置后，城市轨道交通列车可以取消（替代）制动电阻（如在既有列车上进行改造，则无需改变既有列车的安装结构），能够有效的减少轨道交通列车牵引能耗，减少地铁制动热量散发，降低涵洞温升，达到节能减排的效果，从而节约列车实际运营成本，具有较好的实用价值。

［1］ 杨 峰.地铁车辆制动系统浅析［J］.现代城市轨道交通，2009，（4）：29-31.

［2］ 方 宇，尧辉明，杨 俭，等.上海城市轨道交通2号线车辆电阻制动能耗计算［J］.城市轨道交通研究，2010，（8）：25-27，31.

［3］ 刘宝林.地铁列车能耗分析［J］.电力机车与城轨车辆，2007，30（4）：65-68，70.

［4］ 德州仪器公司.芯片数据手册.TMS320F28335数字信号控制器（DSC）Data Manual（版本号：M.2012）［Z］.德州：德州仪器公司，2012.

［5］ 德州仪器公司.实时操作系统参考手册.TMS320C28x DSP/BIOS 5.x Application Programming Interface（API）Reference Guide，（版本号：S.2012）［Z］.德州：德州仪器公司，2012.

Development of New On-board Energy Storage System for Urban Rail Transit

CHENG Jianguo1，WEN Xiaolong2
（1 Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518000 Guangdong，China；2 Shenzhen Farad Electric Co.，Ltd.，Shenzhen 518000 Guangdong，China）

This paper analyzes the principle of train’s electric brake and the features of super-capacitor’s high stored energy and quick charging/discharging，and develops a new on-board energy storage device in place of train braking resistor based on the traditional centralized ground energy storage systems.The device is composed of the primary system and the secondary system，the primary system mainly consists of circuit breaker，IGBT and capacitor bank，and the secondary system mainly includes the controllers to control the IGBT of buck-boost modules.The device can effectively reduce the traction energy consumption of trains，reduce the heat dissipation of braking，and decrease the temperature rise in culvert to achieve the effect of energy conservation and emission reduction.As a result，the device can save the actual operating cost of trains and has good practical value.

train braking resistor；new type；on-board energy storage system；development

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.19

1008－7842（2014）06－0078－03

2—）男，硕士研究生（

2014－04－17）