储能型有轨电车停站时间对充电桩数量的影响研究

储能型有轨电车停站时间对充电桩数量的影响研究

湛博

中铁第四勘察设计院集团有限公司  武汉  430063

摘要：当前，有轨电车得到高速发展，地面充电桩结合车载储能系统的有轨电车供电制式得到广泛研究。本文介绍了超级电容和锂电池的材料特性和电气特性，基于广州黄埔1号线有轨电车实际线路和车辆数据，通过牵引仿真研究了混合储能型有轨电车的停站时间对充电桩数量的影响。仿真结果为充电桩的布置方案提供了基础理论数据，对有轨电车线路设计工作具有一定指导意义。

关键词：有轨电车；充电桩；储能

中图分类号：TM910

Study on the Influence of Stopping Time on the Number of Charging Piles of Energy-storage Tram

ZHAN Bo

(China Railway Siyuan Survey And Design Group Co.,LTD. Wuhan, 430000, China)

Abstract：At present, with the rapid development of tram, the power supply system of tram combined with ground charging pile and on-board energy storage system has been widely studied. In this paper, the material and electrical characteristics of supercapacitor and lithium battery are introduced. Based on the actual line and vehicle data of guangzhou Huangpu Line 1 tram, the influence of stopping time of hybrid energy storage tram on the number of charging piles is studied by traction simulation. The simulation results provide the basic theoretical data for the charging pile layout scheme and have a certain guiding significance for the trolley line design.

Key words：tram；charging pile；energy storage

1  引言

有轨电车补充了城市轨道交通体系结构，可支持地区产业的建设，在国内城市得到快速发展。其中，地面充电桩结合车载储能系统供电制式的有轨电车由于景观性好、技术日趋成熟等原因，得到广泛应用和研究[1, 2]。

现有针对充电桩、储能系统容量配置及能量管理策略的研究较多，文献[3]通过粒子群算法优化得到储能装置和地面充电桩容量的经济性最优配置方案，文献[4]研究了储能系统能量管理策略，文献[5]对比分析了增程式、“一站一充”模式与贯通式等不同运行模式下系统成本。全线充电桩的布点受有轨电车车辆选型、线路纵断面、路口等待时间等影响。而有轨电车停站时间对充电桩数量的影响研究鲜有提及。

本文基于广州黄埔1号线工程实际情况，介绍了线路概况、有轨列车车辆选型及储能装置配置原则，通过牵引计算和牵引仿真计算了上下行线路车辆能耗和锂电池能耗，根据仿真结果分析了有轨电车停站时间对充电桩数量的影响，为黄埔1号线工程充电桩的布点方案提供了数据指导。

2  广州黄埔1号线概况

黄埔区有轨电车1号线（长岭居-萝岗）起于香雪，终于永和新丰，线路全线约14.3km，其中路基段长度约11.45km，桥梁段长度约2.03km，框架及U型槽位长度约0.82km，平均站间距约0.75km，最大站间距约1.3km，位于水西北站至北师大实验学校站，最小站间距0.37km，位于香雪站至开萝大道站。全线共20座车站，近期设站19座（其中高架站2座，地面站17座），远期预留地面站1座。线路示意图如图1所示，线路坡度统计如表1所示。

图1 广州黄埔1号线线路示意图

表1 广州黄埔1号线线路坡度统计表

考虑线路路口停车、路口等待时间，路口等待时间估算原则：相交道路宽度小于30m，双向车道少于六车道，等候时间按40s估算，其余按50s估算。

3  混合储能型有轨电车

黄埔1号线初近远期均推荐采用短编组，车辆长度为32~37m，定员280人。储能装置选型为3组9500F超级电容+33 kwh锂电池。

储能装置选择原则：为保障故障情况下有轨电车的安全运行，列车储能装置需满足全线中任意充电站故障时，车辆能运行到下一个充电站。

锂电池和电池电容在充放电功率性能差别不大，锂电池相比电池电容在可用电量、质量、体积、漏电具有明显优势。

现有锂电池主要有磷酸铁锂、三元和钛酸锂三种，钛酸锂电池在现有锂电池产品中放电倍率最大，安全性最高。本项目锂电池为动力电池，需要大功率充放电，因此只有钛酸锂电池性能满足要求，现有钛酸锂电池主要有功率型和能量型两种，考虑到本项目柜体尺寸大小、电池充放电功率和使用寿命要求，能量型钛酸锂电池需要的安装空间更大，同时高倍率充放电电池寿命无法满足项目要求，因此只能选择功率型电池，而功率型钛酸锂电池能量密度是一定的，同时现有钛酸锂电池容量已经完全能够满足线路运行要求，因此本项目不需要再采用更大容量的钛酸锂电池。

有轨电车列车牵引/电制动特性曲线如图2所示。

图2 列车牵引和电制动特性曲线

4  仿真结果分析

基于1号线实际线路数据及车辆参数，设置仿真条件：载荷情况为AW2载荷，车辆最高运行速度为70km/h，考虑到储能电源全寿命周期内20%的容量衰减，正常运行时储能电源最低放电电压为DC500V；考虑了路口停车、路口等待时间的影响；根据运行区段不同的弯曲半径信息，考虑了因弯曲半径过小而不得不采取限速措施的影响；根据超级电容电压的变化情况，考虑了锂电池择机投入使用的情况；为保证行车安全，路口考虑了一定的限速运行措施，因相邻路口间隔及路口自身长度的制约，部分路口最高限速由车辆的牵引及电制动性能确定，但不高于30km/h。

4.1  线路仿真

不考虑充电站停车时能耗，上行线路车辆总能耗为99.2 kWh，其中牵引系统总能耗为63.88kWh，辅助系统总能耗为35.33kWh；锂电池提供能耗为21.44KWh，锂电池充电时间共需要260.7s。若在停站期间给锂电池充电，可为锂电池补电时间累计130.3s，充电10.7 kWh。上行线路仿真波形如图3所示。

  不考虑充电站停车时能耗，下行线路车辆总能耗为94.08kWh，其中牵引系统总能耗58.48KWh，辅助系统总能耗为35.6kWh；锂电池提供能耗为25.72kWh，电池充电时间共需要312.7s。若在停站期间给锂电池充电，可为锂电池充电时间累计157.9s，充电12.9kWh。下行线路仿真波形如图4所示。

图4 下行速度-时间曲线、电压-时间曲线

4.2  停站时间对充电桩数量的影响分析

根据仿真计算，若按照近期规划终点站充电时间为150s，终点站以及停站期间给锂电池可补充的电能小于锂电池的总耗能，需要再延长充电时间45s或者至少增加两个充电站才能保证锂电池充满电，建议增加充电站点为水西北和水西站。

若终点站充电时间按照远期规划为90s，上行线终点可为锂电池充电45s，终点锂电池可补充电能3.7kWh；下行终点可为锂电池充电50s，终点锂电池可补充电能4.1kWh。综上，终点站以及停站期间给锂电池可补充的电能小于锂电池的总耗能，需要再延长充电时间105s或者至少增加三个充电站才能保证锂电池充满电，建议增加充电站站点为水西北、水西站和贤江站。

5  结论

储能元件的能量密度限制了车辆的续航里程，功率密度限制了车辆在充电站的充电速度。

根据车辆仿真结果，在贤江新增的充电站的主要作用是减少在终点站的锂电池的充电时间，在现状储能单元的基础上满足远期需求增加3座充电站，经济性较差。

建议本线按满足新增水西和水西北充电站，远期通过更换更大容量的储能单元考虑。

参  考  文  献

[1]蒲思培. 云南省保山市有轨电车T1线储能方案研究[J].城市轨道交通研究, 2019, 22(04): 125-129.

[2]安祺. 储能式有轨电车联合地面充电站车地整体性容量配置研究[D].西南交通大学, 2020.

[3]谢雨轩, 白云驹, 肖意军. 含地面充电桩的储能式有轨电车车地整体性容量配置[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(04): 1388-1399.

[4]王玙. 现代有轨电车车载混合储能系统能量管理策略及容量配置优化研究[D]. 北京交通大学, 2020.

[5]刘正杰, 朱云芳, 戴朝华, 郭爱, 李密, 陈维荣. 增程式燃料电池混合动力有轨电车电源系统优化配置[J/OL]. 太阳能学报: 1-7[2022-03-16].

 作者简介：湛博，男，1996年生，硕士，助理工程师。主要研究方向为城市轨道交通电气化。

 [* 基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科研项目（编号：2020K074）。]