電池動(dòng)力列車(chē)(用電池作為列車(chē)儲(chǔ)能及動(dòng)力系統(tǒng))可行性研究報(bào)告(編輯修改稿)
2025-05-26 12:29 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 然后同時(shí)流向超級(jí)電容陣列(SuperCapacitor Array)和電機(jī)(Motor)。超級(jí)電容陣列與電機(jī)之間的一些小的能量流可逆，這使得再生制動(dòng)所產(chǎn)生的能量可以返回到最有用的地方。系統(tǒng)的大部分動(dòng)力來(lái)自于超級(jí)電容器陣列，小部分來(lái)自于電池。三個(gè)主要部件（電池，超級(jí)電容器陣列，電機(jī)/逆變器[Inverter]）之間的動(dòng)力和能量的流動(dòng)是由該圖中所示的一系列類(lèi)似于電子開(kāi)關(guān)器件（PowerEnergy Switch）的裝置控制。這種裝置目前尚未商業(yè)化，但它在技術(shù)上是可以通過(guò)使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體/計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。類(lèi)似的系統(tǒng)已經(jīng)在其他應(yīng)用中得到了實(shí)施。圖 1 電電混合系統(tǒng) 以上的分析，并沒(méi)有針對(duì)任何具體的系統(tǒng)。 分析 選定兩條路線作為范例，通過(guò)應(yīng)用伯明翰大學(xué)（University of Birmingham）創(chuàng)建的列車(chē)模擬軟件對(duì)其進(jìn)行分析，來(lái)研究影響電池能量和功率之間權(quán)衡的因素： Cardiff Central 到 Rhymney Stratford Upon Avon 到 Birmingham Moor Street 模擬中使用了從125kW到875kW可變牽引動(dòng)力的列車(chē)來(lái)調(diào)查有限動(dòng)力對(duì)旅途時(shí)間和車(chē)輛在每條路線上維持其線速度能力的影響。 一條典型路線上的動(dòng)力曲線如圖2。 每條運(yùn)營(yíng)路線所需的動(dòng)力和能量值都是現(xiàn)有的，亦或可以從仿真結(jié)果中計(jì)算得出。圖 2 高動(dòng)力需求的路線分布圖 方法 既然旅途中所需的牽引能量全部來(lái)自于電池，那么傳遞的總能量就可以通過(guò)對(duì)功率需求量的積分來(lái)計(jì)算。圖3所示，在一段典型旅途（圖3里的曲線）中，累積的總能量?？梢钥闯?，該累積的過(guò)程大致上是線性的，只是在加速與減速的時(shí)候有小幅的波動(dòng)。如果從該曲線中減去一條直線（圖3里的斜線），那么能量的差值就代表了在這段旅途時(shí)間段內(nèi)，電池持續(xù)放電過(guò)程中系統(tǒng)平均功率的變化。通過(guò)改變?cè)撝本€的斜率，平均功率的差異可以被減小。圖 3 路線上的累積能量 當(dāng)電池以一個(gè)恒定倍率被放電時(shí),圖中曲線的終點(diǎn)定義了電池的凈能量。假設(shè)電池以1小時(shí)的倍率被放電，由此定義系統(tǒng)的基準(zhǔn)動(dòng)力。此基準(zhǔn)動(dòng)力與牽引系統(tǒng)所需動(dòng)力間的缺損由電容器系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)給。對(duì)模擬的動(dòng)力曲線中波紋的分析表明，系統(tǒng)的動(dòng)力需求是通過(guò)脈沖的形式呈現(xiàn)的，中間包含了頻繁出現(xiàn)的零功率和負(fù)功率值（見(jiàn)圖2和圖4）。假設(shè)正脈沖之間的時(shí)間間隔足以讓電容器恢復(fù)能量（從電池或從制動(dòng)能量回收），并且在制動(dòng)能量回收過(guò)程中，任何多余的動(dòng)力都可以由電池吸收。那么在每個(gè)單獨(dú)的脈沖中，電容器里儲(chǔ)存的能量就可以被計(jì)算出來(lái)。為了滿足該路線的需求，電容器的能量必須足以應(yīng)付動(dòng)力需求最苛刻的脈沖。圖 4 電容器詳細(xì)工況 應(yīng)注意的是，該研究方法在以下方面做了簡(jiǎn)化處理： 對(duì)電容器系統(tǒng)的需求分布不可以是高度不對(duì)稱(chēng)的。例如，在一條路線中，有可能只在一個(gè)特殊的時(shí)段有特別高的動(dòng)力需求。 假定在兩個(gè)動(dòng)力需求脈沖之間有足夠的時(shí)間來(lái)給電容器恢復(fù)能量，來(lái)應(yīng)對(duì)下一個(gè)脈沖。 這些限制條件都可以通過(guò)一個(gè)更詳細(xì)的分析來(lái)克服，但該方法在現(xiàn)階段用于可行性研究的分析是足夠的。 模擬仿真的結(jié)果 應(yīng)當(dāng)注意的是，該方法并沒(méi)有對(duì)路線或電池/超級(jí)電容器的這種搭配方式進(jìn)行任何假設(shè)。因此，該方法可以應(yīng)用到路線中，來(lái)研究電池替代的影響，以及評(píng)估改變電池和電容器參數(shù)所帶來(lái)的影響。 該模擬是通過(guò)對(duì)牽引系統(tǒng)施加一系列的動(dòng)力限制條件來(lái)進(jìn)行的。因而，每次得到的速度和時(shí)間對(duì)于任何給定的旅程是不同。在提供的數(shù)據(jù)中，有25個(gè)動(dòng)力等級(jí)，范圍從大約125kW～875kW不等。 起初，完整的路線是能夠被評(píng)估的。 針對(duì)兩條路線的行程時(shí)間和總的能量需求都呈現(xiàn)在圖5和圖6中?？梢钥闯?，隨著動(dòng)力受限值的逐步提高，旅程時(shí)間在不斷增加，但實(shí)際消耗的能量卻在降低。超過(guò)一定的水平，動(dòng)力的增加實(shí)質(zhì)上不會(huì)影響旅程時(shí)間或能量的消耗。這大概是由于線速度的限制和其他條件，如停站時(shí)間等。 圖 5 路線1的旅程時(shí)間和能量消耗 – 從Cardiff Central 到 Rhymney圖 6路線2的旅程時(shí)間和能量消耗 – 從Stratford Upon Avon 到 Birmingham Moor Street 可以注意到，研究的兩條路線都要求類(lèi)似的能量大小和行車(chē)時(shí)間，盡管路線本身被認(rèn)為是完全不同的。 應(yīng)用上述方法，允許計(jì)算電容器的殘余功率和能量。路線1所需的電容器功率如圖7所示?？梢钥闯?，對(duì)于一定的低功率需求而言，所需電容器的功率值為負(fù)，即電容器不是必需的。圖 7 超級(jí)電容器所需功率 圖8是電容器在該路線上的峰值能量曲線圖。當(dāng)電容器的功率值為負(fù)時(shí),電容器的能量值自然為零（參見(jiàn)圖7）。然而隨著列車(chē)
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