智能軌道快運系統(tǒng)快速充電方案設計

智能軌道快運系統(tǒng)快速充電方案設計

0軌客車及動力電池式公交客車充電方式特點在城市的不斷發(fā)展下，公共交通的城市走廊的應用越來越廣泛。本文首先介紹了傳統(tǒng)超級電容式有軌電車及動力電池式公交客車充電方式特點；然后通過分析ART實際運營工況，提出了一種基于雙無線通信鏈路的升弓充電方案，并從充電準備時間及實際充電時間兩方面進行分析，最后通過智軌電車正線充電測試結果驗證了該方案的有效性，其可提高ART運營效率。1智軌客車運行能耗分析車載儲能系統(tǒng)及地面充電系統(tǒng)作為ART能量之源，在整個大系統(tǒng)中扮演著重要角色目前儲能式有軌電車常采用車載超級電容器為其儲能裝備，并在每個車站或每隔一個車站設置快速充電站，有軌電車車輛運行到站點后，在上下客間隙時間內(nèi)完成充電工作車載動力電池已在新能源公交客車領域得到廣泛應用。對于裝配有動力電池的新能源車輛，其地面充電裝置包括傳導式和非接觸式ART作為一種中低運量城市軌道交通系統(tǒng)，大多數(shù)應用場景下發(fā)車時間間隔在5min以上，在客流高峰時發(fā)車間隔時間約為3min。如果快速充電系統(tǒng)能在5min內(nèi)完成智軌電車單向運行能耗的補充，即可僅在首末站設置快速充電站，首末站區(qū)間由車載動力電池供能。這將大幅降低ART在供電系統(tǒng)基礎設施方面的成本投入。通過計算與實際測試，三編組模式下的智軌電車線路運行綜合電耗約為2.2kW·h/km。針對極寒地區(qū)，如冬季在哈爾濱-30℃環(huán)境溫度、AW3載荷且車載空調(diào)全負荷運行時，智軌電車線路運行電能損耗約為3.5kW·h/km。針對極熱地區(qū)，如夏季在卡塔爾50℃環(huán)境溫度，同樣工況下，智軌電車線路運行電能損耗約為3.2kW·h/km。故對于長度在20km以內(nèi)運營線路，智軌電車單向運行電能損耗范圍為44～70kW·h。智軌電車采用橡膠輪承載，對車輛載重敏感性高，故車載儲能系統(tǒng)需在保證安全基礎上盡可能提高能量密度，以在有限載重配額內(nèi)發(fā)揮最大的續(xù)航能力。目前，國內(nèi)超級電容器產(chǎn)品性能最好的能量密度也僅30W·h/kg（不含冷卻系統(tǒng)）鑒于此，對于20km里程內(nèi)的運營線路，選擇快充型磷酸鐵鋰電池作為智軌電車的儲能系統(tǒng)，在線路首末站建設快速充電站，同時將充電變流功能移至地面充電系統(tǒng)，是滿足ART運營要求且性價比最優(yōu)的選擇。表1示出ART電池系統(tǒng)基本參數(shù)。22009年u型快速充電系統(tǒng)由ART快速充電系統(tǒng)由一體化預裝式智能充電站、雙極性充電軌、地面定位識別裝置及無線通信系統(tǒng)構成。圖1示出ART快速充電系統(tǒng)拓撲。2.1kv開關柜及變流器一體化預裝式智能充電站采用集裝箱形式將10kV高壓開關柜、三繞組特種變壓器、低壓配電柜、電抗器、變流器、隔離開關柜以及控制裝置集成在一個15m×3m×3m（長×寬×高）的集裝箱中，單個集裝箱可支持兩個充電位，安裝時現(xiàn)場僅需修建地基即可。10kV開關柜包括進線柜、計量柜、PT柜和饋線柜。2臺進線柜由2路獨立市政10kV環(huán)網(wǎng)柜取電，經(jīng)饋線柜輸出至變壓器。三繞組特種變壓器一次側(cè)被接入饋線柜，二次側(cè)包含2路500V充電回路繞組及1路400V低壓配電繞組。低壓配電柜被接入變壓器AC400V繞組，用于供給智能充電站自用電及鄰近站臺用電。電抗器被設置在變壓器二次側(cè)繞組與變流器之間，用于濾波、無功補償及限制短路電流等。變流器采用“PWM四象限整流+多重化DC/DC斬波”方案。PWM四象限整流通過調(diào)節(jié)相電壓和相電流矢量相位關系，可有效提高變流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。斬波部分采用雙向三重錯相控制，可有效降低輸出電流脈動。隔離開關柜內(nèi)集成安裝有極性轉(zhuǎn)換裝置。其輸出端配有電壓互感器，可在車輛升弓且完成弓軌接觸后采集車載電池電壓并自動配置直流輸出極性，最后直流電壓經(jīng)快速斷路器及隔離開關后被輸送至充電軌。2.2雙極性充電軌由于智軌電車采用膠輪承載，其回流系統(tǒng)與有軌電車鋼輪鋼軌回流方式有所差異，因此需配備雙極性充電軌。雙極性充電軌一般被設置于集裝箱附近車站或單獨設置的充電站點內(nèi)。充電軌的長度需滿足車輛雙向行駛時車頂受電弓的觸軌充電要求。充電軌包含一組銅鋁合金材質(zhì)的正負極雙軌和一套充電軌帶電燈顯設備。2.3智軌用電定位ART快速充電系統(tǒng)借用為整個ART配備、由WiFi與LTE(longtermevolution)建立雙冗余備份的無線通信鏈路，以實現(xiàn)智軌電車與快速充電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。智軌電車定位系統(tǒng)包括地面設備（定位射頻接收機和地磁等）和車載設備（射頻標簽卡）。車輛進入充電位后，觸發(fā)地面定位設備發(fā)出定位信息，此時該充電位地面定位設備所綁定的地面充電機與進站車輛建立無線通信鏈路連接，完成車地充電信息交互的準備。32009年u2009動態(tài)快照系統(tǒng)的戰(zhàn)略和流程3.1使用充電裝置的充電流程超級電容儲能式車輛在充電時，地面充電設備與車載儲能裝置間無需進行通信交互，而是按固定的充電曲線（圖3）進行充電。地面設備通過弓軌接觸方式采集超級電容電壓信息，在充電開始階段，采用額定恒流方式充電；當超級電容模塊電壓升高至一定值時，地面充電設備切換至恒壓充電方式，充電電流逐漸下降，直至車輛降弓駛離，充電結束。動力電池儲能式車輛在充電時，相較超級電容儲能方式，儲能電池的電化學模型對輸入電流更敏感，與電池正負極相接的充電裝置其直流輸出端不能僅靠檢測電池電壓的方式來切換充電模式。儲能電池接收充電電流的能力會隨單體電壓、電池溫度等參數(shù)的變化而變化。BMS會根據(jù)電池自身狀態(tài)持續(xù)更新充電電流需求，而充電機則需實時地響應BMS的電流需求。因此地面充電機與車載BMS間的信息交互是一個持續(xù)且動態(tài)的過程。車載動力電池在城市公交領域已得到大規(guī)模應用，ART快速充電可以借鑒普通新能源電動公交車輛的充電策略。目前純電動公交車輛一般采用插槍方式充電。為保證充電連接的安全性，根據(jù)GB/T20234-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置》標準，充電槍插頭與車載槍充口觸頭接觸順序為：（1）保護接地；（2）直流電源正負與車輛端連接確認；（3）低壓輔助電源正負與車輛端連接確認；（4)CAN通信線與車輛端連接確認直流充電樁充電流程如圖4所示從開始物理連接操作至充電機啟動輸出電流這段時間被稱為充電準備時間，其主要包括插槍操作時間及充電機觸控屏操作時間。參考市面上普通插槍式直流充電樁產(chǎn)品參數(shù)，插槍操作耗時受人為因素影響較大，通常耗時約20s，插槍操作完成后，低壓通信回路、低壓輔源回路及高壓充電回路同時建立；充電機觸控屏操作耗時受充電機CPU處理器性能及系統(tǒng)高低壓回路自檢時間影響較大，通常約30s，故充電準備時間合計約50s。50s充電準備耗時對于公交車輛來說可以接受；但ART線路運營要求發(fā)車時間精確，發(fā)車間隔緊湊，故需盡可能縮短充電準備時間，以提高有限時間內(nèi)的補電效率。3.2u2009車載充電流程在智軌電車充電系統(tǒng)中引入無線通信鏈路，以解決儲能電池與地面充電系統(tǒng)之間的實時信息交互問題。充電系統(tǒng)無線通信包括WiFi和4G-LTE兩種模式，優(yōu)先使用WiFi通信鏈路，4G-LTE模式作為備用通信鏈路。智軌電車駛?cè)氤潆娬厩埃囕dWiFi模塊與地面WiFi完成連接，4G-LTE模式實時進行連接。充電站存在多個充電位，為建立智軌電車與所在充電位間的網(wǎng)絡地址對應關系，每個充電位配備1套射頻定位設備；進站后，定位接收機可識別進站車輛車頭安裝的標簽卡。上、下行充電站橫向間隔約4m，射頻定位精度小于1m，以保證車輛到站后定位的準確性。定位信息被識別成功后，射頻接收機生成定位信息，并通過無線鏈路傳至車輛；車輛根據(jù)位置信號確定目標地面充電機網(wǎng)絡地址。到達充電點后，司機點擊“升弓”按鈕（也可設置“自動升弓”），觸發(fā)以太網(wǎng)無線鏈路的車載端確認數(shù)據(jù)向目標網(wǎng)絡地址發(fā)出，自動建立車載網(wǎng)絡設備與地面充電機以太網(wǎng)接口間的無線通信通路；同時車載受電弓繼電器被觸發(fā)閉合，其繼電器反饋確認信號至BMS，觸發(fā)BMS“充電允許”狀態(tài)位變化。類似于直流充電時，插槍后觸發(fā)的CC2連接確認信號。對于“弓充”流程，車輛駛?cè)氤潆娷壪?，點擊“升弓”按鈕（亦可設置為“自動升弓”）至充電機啟動輸出電流間的時間為充電準備時間。相較純電動公交車的“槍充”流程，智軌電車的充電流程中，通過在車輛進站前建立車地以太網(wǎng)無線通信通路，將插槍操作中低壓通信回路建立過程提前至充電準備時間之前；同時將插槍操作中人為因素影響降低。充電準備時間中等待弓軌接觸耗時總共僅需4s。弓軌接觸后可自動激活“啟動充電”免去觸控屏操作時間，系統(tǒng)回路自檢耗時約5s。實際“弓充”充電準備時間僅為9s左右，遠低于“槍充”流程。圖5示出智軌電車快速充電流程。通過建立無線通信交互，快速充電系統(tǒng)具備了根據(jù)車載BMS的充電電流需求進行分段充電的能力，最高可穩(wěn)定輸出600kW電功率。相較于150kW直流充電樁，輸出同樣電能時，ART快速充電系統(tǒng)充電速度提升近3倍。通過縮短充電準備時間和實際充電時間，ART運營線路在有限的發(fā)車間隔內(nèi)充電效率得以提高，線路運營效率也隨之提高。智軌電車可雙向行駛且地面快充設備配備有雙極性充電軌，車頂受電弓升弓到位，在充電位完成弓軌接觸后，地面充電機需先檢測車載電池高壓正負極；隨后根據(jù)電池極性判斷電能輸出極性，并觸發(fā)相應的隔離開關動作；隔離開關動作完成后，充電機進行車地充電回路絕緣檢測，同時隔離開關后端充電模塊啟動電池電壓檢測，觸發(fā)充電機“充電允許”開關，狀態(tài)位變化，并通過無線通信鏈路向車載網(wǎng)絡控制器(vehiclecontrolunit,VCU)發(fā)送充電允許信息。車輛收到充電機充電允許信息后，“啟動充電”信號被激活，開始進入到BMS與充電機間按標準GB/T27930-2015《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》要求進行的充電交互流程，包括充電握手、參數(shù)辨識和參數(shù)配置；上述報文信息正常，則觸發(fā)充電準備就緒信號，從而進入正式充電過程。整個正式充電階段，電池需持續(xù)發(fā)送充電需求和充電狀態(tài)信息至充電機；充電機實時接收充電需求信息后，回復充電機狀態(tài)報文，并持續(xù)監(jiān)控整車端是否發(fā)送“停止充電”報文，若收到停止充電報文，則進入停止充電狀態(tài)。正式充電階段，若經(jīng)控制屏觸發(fā)“停止充電”、“電池充滿自動停充”及“故障停充”（包括充電機故障停充、電池故障停充和網(wǎng)絡故障停充）等信號，則會導致充電過程終止。充電機在成功停止充電后，會退出車地無線連接狀態(tài)，等待下一次車輛駛?cè)攵|發(fā)無線網(wǎng)絡連接；同時，整車高壓回路檢測到無充電電流后，受電弓連接確認信號清零，受電弓繼電器斷開，繼電器反饋狀態(tài)位信息至BMS，觸發(fā)電池充電允許狀態(tài)位信號變化；控制屏觸發(fā)“停充成功降弓”提示，司機點擊“降弓”按鈕，至此，車地充電交互結束，車輛等待下一次升弓觸發(fā)充電交互流程。4u2009蓄電池分段充電能力目前ART快速充電系統(tǒng)已在株洲市與宜賓市ART線路上進行部署及應用，獲得了較好的效果CAN總線通信階段交互內(nèi)容包括充電握手、充電參數(shù)配置、充電階段和充電結束。在充電階段，電池采用分段恒流方式充電，由電池BMS根據(jù)電池荷電狀態(tài)（stateofcharge,SOC）、單體電壓及電芯溫度等參數(shù)計算出充電電流需求；充電機作為分段恒流源，根據(jù)電池電流需求輸出電能。圖6示出ART快速充電系統(tǒng)輸出電流波形?？梢钥闯觯焖俪潆娤到y(tǒng)根據(jù)BMS電流需求實行分段充電，最大輸出電流達到868A，輸出功率穩(wěn)定在600kW，并在第一段300s內(nèi)完成了50kW·h的電能輸出，滿足了系統(tǒng)的設計要求。目前ART快速充電系統(tǒng)已具備1000kW以上的充電能力，后續(xù)將通過提升儲能電池的受流能力來提升智軌電車的充電能力。在某些對發(fā)車密度需求較大的應