刘玥

摘 要：本文主要对一种基于储能元件的轨道交通混合動力系统电路进行了研究分析，是指根据储能元件的不同，其特性也会存在一定的差异，在轨道交通混合动力系统电路中激发储能元件不同的性能优势。这种电路在机车大功率运行的情况下，可以满足机车运行的功率需求;在再生制动的情况下，可以符合能量吸收的要求;在续航里程的情况下，可以满足机车的能量需求。本文首先对基于储能元件的轨道交通混合动力系统电路结构与原理进行了阐述，然后对基于储能元件的轨道交通混合动力系统电路的工作模式进行了总结，希望可以为基于储能元件的轨道交通混合动力系统电路的正常运行提供参考价值。

关键词：混合动力;储能元件;轨道交通

现阶段，在轨道交通车辆中，是采取电网受流的方式，这样在通过无电区的时候，不能激发自身的牵引力，在轨道交通车辆采取内燃驱动的情况下，在驶入隧道之后，需要严格控制废气的排放，通过运用车载储能动力的混合动力驱动的方式，不仅可以在无电区中进行低效运行，同时还可以解决隧道内污染排放的问题。目前在储能元件中，主要包括了蓄电池和超级电容等等，蓄电池主要分为铅酸电池、碱性电池、锂电池等等，通常情况下，采用锂电池作为机车的动力蓄电池，其原因是能量密度和功率密度较大。对于超级电容器而言，属于一种新型的电容器，其具备的功率密度较大。在纯电动车辆和混合动力车辆中，锂电池的应用范围越来越广，但是在运用大电流充放电方式的情况下，不仅会影响锂电池的使用寿命，同时会影响锂电池的运行效率。对于超级电容器而言，可以快速进行大功率充放电。在能量密度较低的情况下，无法独立完成车载储能元件的任务。因此，在解决轨道交通动力驱动问题的过程中，最有效的方案为将超级电容与锂电池进行结合。

1 基于储能元件的轨道交通混合动力系统电路结构与原理

基于储能元件的轨道交通混合动力系统电路主要的组成部分包括了防反二极管、充电机、锂电池、超级电容、辅助逆变器、牵引变流器、DC/DC变流器、主变压器、接触器=11-K03、=11-K01、=11-K02、整流器、牵引电机、高度断路器^[1]。

在输电电压方面，锂电池与超级电容进行比较的情况下，其存在的差距较大，在锂电池与超级电容进行组合的过程中，是通过运用DC/DC变流器（其中DC/DC变流器的工作原理为Buck-Boost（升降压）电路），对DC/DC变流器的控制，可以处以降压或者升压的状态，从而在锂电池和超级电容之间，实现能量的传输^[2]。对于超级电容，在直接与直流母线进行连接的情况下，可以对机车功率的需求进行快速响应，例如，在对机车再生制动进行即时吸收的过程中，会存在回馈的能量，在机车处于牵引阶段的情况，会释放这种能量，然后对于再生制动的能力，可以得到高效的回收利用，同时还可以在直流母线电压中发挥稳定的作用。在机车处于大功率牵引运行的情况下，或者超级电容能量即将耗尽或充满时，锂电池可以通过DC/DC变流器，吸收挥着补充超级电容的能量，通过自身具备能量密度大的特性，可以满足机车续航里程的需求，同时还可以有效的避免出现锂电池直接向直流母线大电流充放电的情况，延长锂电池的使用寿命。在DC/DC变流器中，主要负责的工作为储能动力包的功率以及能量管理，同时还可以对超级电容与锂电池之间的能量传输现象进行合理调整，因此DC/DC变流器在储能动力包充放电控制中发挥着重要的作用^[3]。在超级电容与机车网络控制系统进行通讯的过程中，是通过运用CAN总线，而在锂电池与机车网络控制系统进行通讯的过程中，是通过运用DC/DC变流器。在DC/DC变流器运行的过程中，是根据设定的工作模式执行条件，判断供电电源的方式，是将锂电池的电压转换为超级电容电压，还是将超级电容电压转换为锂电池电压，从而可以给车上的其他负载设备进行供电。

2 基于储能元件的轨道交通混合动力系统电路工作模式

在基于储能元件的轨道交通混合动力系统中，其中供电模式包括了两种：电网模式和储能动力包模式^[4]。具体如下：

2.1 电网模式

在机车供电模式为电网模式的情况下，其电网电流通过主变压器和整流器之后，会进入到机车中间的直流回路，这时对于接触器=11-K01，会处于闭合的状态，并且高度断路器的状态为闭合，而接触器接触器=11-K02断开的状态为断开，而电流通过牵引变流器，会转化为三相交流电，然后让机车的牵引电机进行供电工作。同时，接触器=11-K03的状态为闭合，然后由辅助逆变器通过充电机之后，会向储能动力进行充电，另外，对于辅助逆变器而言，会向个辅助负载进行供电。在此情况下，充电机会向超级电容进行充电，而超级电容通过DC/DC变流器之后，会向锂电池进行充电。在机车处于再生制动的情况，那么牵引电机会产生一定的回馈能量，在通过牵引变流器之后，会经过辅助逆变器以及充电机，向储能动力包进行充电，同时通过辅助逆变器的利用，可以向辅助负载进行供电^[5]。

2.2 储能动力包模式

在机车供电模式为储能动力包模式的情况下，那么接触器=11-K02的状态为闭合，而接触器=11-K01和=11-K03的状态为断开，并且高度断路器的状态也为闭合。在储能动力包通过高速断路器之后，不仅会向牵引变流器进行供电，同时还会向堵住逆变器进行供电。在机车处于小功率牵引的情况下，只仅仅依靠锂电池，就可以向机车的运行输出能量。在此情况下，对于超级电容的作用，可以稳定直流母线的电压。在机车功率增加的情况下，例如重载运行、爬坡和启动等等，这时超级电容和锂电池，会共同进行放电工作。在机车再生制动的过程中，其中牵引电机会产生一定的回馈能量，在通过牵引变流器之后，经过辅助逆变器和充电机，会向储能动力包进行充电工作，通过通过利用辅助逆变器，牵引电机产生的回馈能量辅助负载进行供电工作^[6]。

3 结语

综上所述，本文基于储能元件，对轨道交通混合动力系统电路进行了阐述，其中具备的特性主要包括了以下几点：对于功率型的超级电容，可以结合能量型的锂电池，而锂电池会通过利用DC/DC变流器，与超级电容进行组合，而DC/DC变流器通过升压和降压模式的转变，可以在锂电池与超级电容之间，实现能量的传输工作，这不仅利用了锂电池能力密度高的特点，并且还根据超级电动功率密度高的特性。同时对于超级电容而言，在直接与直流母线进行连接的情况下，不仅可以快速响应机车的功率需求，还可以对直流母线电压起到稳定的作用。在基于储能元件的轨道交通混合动力系统电路中，可以实现机车在两种供电模式下工作，分别为储能动力包和电网模式，在机车通过无电区的时候，可以充分激发机车的大功率牵引力，在机车运行的过程中，需要对机车再生制动的能量进行回收利用，从而可以保证机车运行的节能环保。

参考文献：

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[6]中车青岛四方机车车辆股份有限公司.一种轨道交通制动能回收利用系统及混合动力轨道交通：CN201620927168.1[P].2017-02-22.