2022鈦酸鋰電池在軌道交通中的應(yīng)用研究

鈦酸鋰電池在軌道交通中的應(yīng)用研究主要內(nèi)容2儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池的期待地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)車載式混合儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)結(jié)束語(yǔ)1.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀3儲(chǔ)能器件超級(jí)電容燃料電池飛輪系統(tǒng)船舶動(dòng)力軌道交通微網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力電池其他工業(yè)應(yīng)用電動(dòng)汽車34Noda

SS Unga

Station Toyoshiki

SSAtago

StationNoda-shi

StationUmesato

StationUnga

StationEdogawadai

StationHatsuishi

StationNagareyamaootakanomori

StationToyoshiki

StationKashiwa

Station4.13km 7.52kmNoda

SS Battery

Post Toyoshiki

SS180017001600150014001300120011001000TESSOFFTESSOFFTESSOFFTESSONTESSONTESSON18:00–

19:0019:00–

20:0020:00–

21:001774V1609V1709V1613V1729V1644V1154V1215V1058V1198V1196V1115VFeeding

Voltage日本東武線變電站之間設(shè)置電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，抑制接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)波動(dòng)。1.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀TESS500kW-194kWhTrain10-car15km/hAirConditioner:ON東京千代田線電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的列車救援試驗(yàn)51.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀南京河西線，現(xiàn)代有軌電車，2014年開通，車載三元鋰電池，98kWh1.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀6德國(guó)，Mannheim有軌電車，車載400V

/

45F

/

300kW

/

0.85kWh的超級(jí)電容，用于再生能量回收和補(bǔ)償接觸網(wǎng)電壓跌落71.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀日本，EV-E801系列車，交流電氣化區(qū)間和非電氣化區(qū)間運(yùn)行，車載

360kWh鋰離子電池，車站充電；2017年投入男鹿線運(yùn)行81.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀1.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀A(yù)nodeCathodecabinet

cabinetControlcabinetConvertercabinetEDLCcabinetElectrical

parametersParametersValuesConnection14S10PTotal

Capacitance117.8

FRated

voltage672

VRated

current1500APower1

MWTotalinternal

resistance8.82

mΩTotalstored

energy7.4

kWh9八通線地面超級(jí)電容北京地鐵房山線飛輪儲(chǔ)能裝置能量管理單元-上位機(jī)界面能量管理單元技術(shù)參數(shù)功率等級(jí)1MW儲(chǔ)能量4.5kWh空載電壓辨識(shí)功能動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整功能1.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀11方式國(guó)家線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間技術(shù)參數(shù)儲(chǔ)能裝置電池日本古町線―鎳錳電池名古屋鐵路―鋰離子電池、2.0

MW湖西線?北陸本線2006鋰離子電池、351kW / 117kWh鹿兒島谷山線2007鋰離子電池神戶市西神-山手線2007鋰離子電池、500kW青梅線2013鋰離子電池、230kW/76.12kWh東武野田線2014東芝SCiB電池、500kW/200kWh多摩都市線（1500V）2016鋰離子電池、2MW / 74.8kWh韓國(guó)地鐵5號(hào)線2011鋰離子電池、115kW/38.06kWh意大利米蘭地鐵3號(hào)線1994鉛酸電池羅馬火車站—機(jī)場(chǎng)線鋰離子電池、2MW/500kWh儲(chǔ)能裝置超級(jí)電容德國(guó)科隆地鐵（750V）2001700kW/2.5kWh西班牙馬德里地鐵（600V）2003700kW

2.5kWh日本西武線（1500V）20072.56MW

6.875kWh韓國(guó)大同江變電所20091.865MW

10.4kWh法國(guó)里昂有軌電車（750V）2011300-1000kW

1-4kWh1.

儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀儲(chǔ)能元件的能量密度、功率密度20018016014012010080604020三元NMC鈷酸鋰電池鈦酸鋰電池鎳氫電池功率密度

W/kg能量密度

Wh/kg三元NCA2

鎳鎘電池1鉛酸電池345678910磷酸鐵鋰電池111：鉛酸電池2：鎳鉻電池5：ATL18650E

NMC電池6：E-one

Moli

IHR18650B電池3：英特曼IFR18650

LFP電池 7：松下

NCR18650

NCA電池4：Boston

PowerSonata4400

LCO電池

8：鎳氫電池9：A123

APR18650M1

LFP電池10：東芝scib能量型LTO電池11：東芝scib功率型LTO電池12：maxwell

3000F

超級(jí)電容樣本點(diǎn)超級(jí)電容飛輪12122.

軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池的期待2.

軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池的期待20Ah

SCiB壽命特性曲線13142.

軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池的期待安全性高過壓試驗(yàn)針刺試驗(yàn)擠壓試驗(yàn)再生制動(dòng)能量的吸收和再利用抑制接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)備用電源、緊急牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輔助電源代替變電所列車再生制動(dòng)特性的改善152.

軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池的期待取消車載電阻是一種趨勢(shì)再生制動(dòng)限流曲線的改進(jìn)2.

軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池的期待16解決純超級(jí)電容的儲(chǔ)能量不足的問題變電所停電時(shí)能對(duì)列車實(shí)施緊急救援延長(zhǎng)電池壽命

1MW

EDLC系統(tǒng)能量不能滿足（7.42kWh＜14kWh）列車緊急自牽引能量需求較大再生制動(dòng)功率與能量較大173.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司；BeijingSubwayOperationCo.,

Ltd.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司；18研發(fā)背景十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃混合儲(chǔ)能在城市軌道交通中的應(yīng)用研究合作單位183.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)電池DC/DC變換器整流城市電網(wǎng)變壓器上行線下行線整流城市電網(wǎng)變壓器超級(jí)電容DC/DC變換器下行車上行車站臺(tái)電池DC/DC變換器超級(jí)電容DC/DC變換器B. 控制（能量管理）策略+

-+

-+

-+..-

…..

… .… …. ..….

…×C.

緊急牽引協(xié)調(diào)控制A.

儲(chǔ)能裝置（系統(tǒng)）設(shè)計(jì)193.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)溫度傳感器溫度測(cè)試通道連接裝置超級(jí)電容恒溫箱電流：±300??電壓：0

~

5VARBIN測(cè)試儀203.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)Up-lineDown-lineRailRailBrakingresistorBraking

trainTraction

train~-10kV/35kV~-10kV/35kV~-10kV/35kV750V/1500VDC/DCDC/DCDC/DCESS1ESS2ESSn多車、多ESS、多變電所組成多能源耦合系統(tǒng)時(shí)變非線性電路拓?fù)湎到y(tǒng)整體效率優(yōu)化能源優(yōu)化調(diào)度與智能管理基于MADRL的協(xié)調(diào)控制213.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)仿真參數(shù)3.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)22固定閾值儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行曲線：050100200250300400450500550600650700Voltageof

ESSs(V)050100200250300-2000-1000010002000Currentsof

ESSs(V)Isc1Isc2050100200250300400450500550600650700Voltageof

ESSs(V)050100200250300-2000-1000010002000Currentsof

ESSs(V)Isc1 Isc2150Time(s)(a)150Time(s)(b)150Time(s)(c)150Time(s)(d)協(xié)調(diào)控制Usc1 Usc2SC2滿充SC2充電Usc1 Usc2同時(shí)充電SC1充電233.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)典型場(chǎng)景分析一車牽引，兩車制動(dòng)固定閾值

ESS1，2均待機(jī)，制動(dòng)車能量流向牽引車ESS1充電，ESS2放電協(xié)調(diào)控制24協(xié)調(diào)控制有效減少了ESS與ESS之間的環(huán)流，

增大車間能量交互3.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)固定閾值ESS1充電電流小，制動(dòng)電阻啟動(dòng)協(xié)調(diào)控制ESS2充電電流大，制動(dòng)電阻不啟動(dòng)典型場(chǎng)景分析列車在CD區(qū)間制動(dòng)協(xié)調(diào)控制根據(jù)列車-ESS之間的距離調(diào)整閾值，避免制動(dòng)電阻啟動(dòng)253.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)車載制動(dòng)電阻電流系統(tǒng)能耗曲線系統(tǒng)能耗曲線0100300200Time(s)0100200300400Ibroftrain

up1(A)fixed-thresholdVDN0100300200Time(s)0200400600800Ibroftrain

up2(A)10020030000500100015002000Ibroftrain

down1(A)100200300-10-0.500.51Ibroftrain

down2(A)BR電流減小050100250300150 200Time(s)02468Ebr(kWh)fixed-thresholdVDN50100150 200250300Time(s)Time(s)Time(s)00204060Esub(kWh)3.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)26Esub

Eess1,disEess1,chEregbress2,disEEess2,ch56.71

(2)56.11

(4)10.25(2)

E10.54

(4)

loss17.16

(2)19.07

(4)19.90

(2)23.01

(4)72.225.31(2)

E2.33

(4)Etra108.414.70

(2)14.19

(4)16.94

(2)15.55

(4)Units:

kWh線路傳輸效率:節(jié)能率:系統(tǒng)能量流動(dòng)分布示意圖系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)制動(dòng)能量饋網(wǎng)率:2796.77 89.84 36.89在基于MARL的協(xié)調(diào)控制策略下：儲(chǔ)能系統(tǒng)容量得到更加充分的利用；制動(dòng)能量饋網(wǎng)率有效提高；系統(tǒng)能量流得到優(yōu)化，節(jié)能率最佳。3.

地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)4.

車載混合儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)的研發(fā)281、高功率、高能量需求有軌電車全線無(wú)網(wǎng)、高速運(yùn)行，充電站間隔大、道路運(yùn)行條件復(fù)雜。3、車-地一體化有軌電車與地面信號(hào)信息組成一個(gè)整體，互相影響，同時(shí)能夠根據(jù)地面信息進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行。2、快速充電停站間隙快速補(bǔ)充能量，為電池、超級(jí)電容功率分配做準(zhǔn)備。4、車載儲(chǔ)能系統(tǒng)限制條件車載系統(tǒng)對(duì)于體積、重量、壽命等有較嚴(yán)格要求。284.

車載混合儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)的研發(fā)有軌電車系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化建模及優(yōu)化能量管理策略

容量配置儲(chǔ)能單體的特性研究：電池、超級(jí)電容壽命分析、SOH優(yōu)化等系統(tǒng)效率優(yōu)化及硬件控制：系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化、穩(wěn)定性研究、控制策略改進(jìn)基于算法優(yōu)化的策略：離線指導(dǎo)在線，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的策略：數(shù)據(jù)分析為主，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) EMS優(yōu)化控制 為輔容量配置優(yōu)化294.

車載混合儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)的研發(fā)軟件功能：實(shí)現(xiàn)各種車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置實(shí)現(xiàn)固定容量下能量管理策略效果的驗(yàn)證容量配置軟件

GUI

主界面能量管理策略驗(yàn)證界面研究室自主研發(fā)-城軌交通車載容量配置軟件304.

車載混合儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)的研發(fā)容量配置優(yōu)化案例線路條件參數(shù)車輛條件參數(shù)全長(zhǎng)(km)11.45結(jié)構(gòu)2M1T2F最長(zhǎng)充電間距(km)2.108輔助功率(kW)60最長(zhǎng)站間能耗(kWh)9.2儲(chǔ)能系統(tǒng)重量限制(t)3參數(shù)鋰電容*2電池*2電壓/V500~900324~486能量/kWh3.1724.8重量/kg60084031基于優(yōu)化的在線EMS下進(jìn)行容量配置系統(tǒng)總重量2.88t（含DC/DC），與原系統(tǒng)相比減重0.92t，減少24.2%。4.

車載混合儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)的研發(fā)工況辨識(shí)x1h1y1

hj......y

mh2......wij

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x2......xnx1h1h2hj......y

m......

wij

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y1

x2......xnx11h1

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wij

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yx2......xn

v(k)

a(k)

數(shù)據(jù)收集主成分分析K均值聚類數(shù)據(jù)處理SVM

算法vaTypeof

conditionconstrains

v

a

x狀態(tài)預(yù)測(cè)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

u 優(yōu)化動(dòng)態(tài)規(guī)劃離線在線有軌電車運(yùn)行在線....

..

..

.是否滾動(dòng)優(yōu)化過程是否結(jié)束？Typeof

Condition

Time(s)Real

ConditionPredicted

condition結(jié)