CN112464362B - 一种地铁车载储能系统及其参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地铁车载储能系统及其参数确定方法，包括：步骤一、确定mt、mS、ηmech、ηem、ηinv、ηdcdc、ηs、a和v0；步骤二、根据所选择的超级电容的型号，由超级电容存储的能量和模块质量来确定其能量密度ρ；步骤三、根据所选择的超级电容的短路电流值，选择IC，max；步骤四、计算车辆制动时产生的能量为Ebr和车辆产生的制动最大功率Pbr，max；步骤五、根据所选择的超级电容器参数CS、US，max和IC，max；步骤六、根据电压要求推算，确定电容总数，重新推算ICmax、dopt。建立模型来确定超级电容最优工作电流电压和工作电压。采用此发明囊括了更多参数，依公式验算的数值更准确，兼顾电能节约与使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及轨道车辆电力系统领域，具体涉及一种地铁车载储能系统及其参数确定方法。
背景技术
地铁车辆频繁起停会产生大量的制动能量，超级电容作为地铁车辆车载储能的主要介质，快速的充放电特性能够满足吸收车辆制动能量的工作需求。在地铁交通系统中，车辆运行所需的能耗基本上都超过整个系统能耗的50％，降低车辆运行能耗直接影响着地铁交通行业的可持续发展。地铁车辆的运行特点就是频繁启停，当车辆在运行过程中处于牵引工况时，牵引网的电能会通过牵引电机转化为车辆的动能，而当车辆在运行过程中处于制动工况时，根据能量守恒定律，车辆的动能会通过牵引电机转化为电能，回馈到DC1500V或DC750V的电网，这些能量中的大部分将引起直流电网电压升高或者以热能的形式在电阻上散掉。近年来，再生制动在地铁车辆中的普遍应用，对节约能源和改善环境做出了很大贡献。
地铁车辆储能技术中，有物理方法和化学方法：物理方法主要采用飞轮蓄能，该方法的优势是寿命长，劣势体现在对地理条件要求比较苛刻，建造费用较高；化学方法有铅酸电池、锂离子电池、超级电容器等，优势体现在随充随放，不受地理环境的限制，劣势体现在使用年限和循环寿命方面。制动能量的吸收装置大致可以分为以下三种：电阻能耗型、逆变回馈型和车载储能型。电阻能耗型会造成能量浪费和环境问题。逆变回馈型在国外已有成熟产品，国内很多研究机构也在进行相关的研究，这些研究方案和装置基本还处于实验室阶段。车载储能不仅能吸收制动能量维持牵引网压的稳定性，同时其灵活性和方便性越来越得到行业和研究者的青睐，是一个值得继续研究的方向。同时即使同样的车载储能系统，在具体的线路中，参数不同的选择，带来的效果也是不一样的。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种地铁车载储能系统及其参数确定方法，囊括了更多参数，依公式验算的数值更准确，便于一步步引导得出最优值，兼顾电能节约与使用寿命。
为解决上述问题，本发明提供一种地铁车载储能系统及其参数确定方法，为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种地铁车载储能系统参数确定方法，包括：
步骤一、在既定线路和既定车辆下，分别确定mt、mS、ηmech、ηem、ηinv、ηdcdc、ηs、a和v0；
步骤二、根据所选择的超级电容的型号，由超级电容存储的能量和模块质量来确定其能量密度ρ；
步骤三、根据所选择的超级电容的短路电流值，选择IC，max；
步骤四、计算车辆制动时产生的能量为Ebr和车辆产生的制动最大功率Pbr，max；
步骤五、根据所选择的超级电容器参数CS、US，max和IC，max；
其中，mt表示车辆的质量，mS表示超级电容组的质量，ηmech表示齿轮箱的机械效率，ηem表示电机的效率，ηinv表示牵引变流器的效率，ηdcdc表示储能变流器的效率，ηs表示电容组的效率，a表示制动减速度，v0表示制动时的初速，ρ表示超级电容的能量密度，IC，max表示超级电容的单体电容CS最大电流；
根据超级电容组存储能量EESS的放电策略和效率、超级电容器的冷却条件，建立模型来确定最优的超级电容最大工作电流，见式(21)
其中，式(21)中IS，max opt表示最优的超级电容最大电流，N表示储能系统电容组的电容的总数目，Pbr，max表示最大制动功率，Ebr表示车辆制动时产生的能量，CS表示单体电容的容量，UC，max表示超级电容的单体电容CS最高输出电压，US，max表示超级电容的最高输出电压。
采用上述技术方案的有益效果是：在充分回收制动能量的基础上，对超级电容器组进行优化配置，使地铁车载储能系统的体积和重量达到最优值，在节约电能的同时还能延长超级电容寿命。采集数据种类涵盖广，考虑多种变量参数，为后续演算准确性做基础，确定了超级电容最优的工作电流。
采用容量约束对超级电容进行配置，满足超级电容阵列的理论可存储容量与待吸收电制动能量相等。提出了功率、容量约束配置方法。该方法能够满足城市轨道车辆制动能量回收的需求，节能效果优于容量约束配置方法，考虑电流约束的超级电容优化配置方法，确定了在控制过程中的最优最大电流。现有方法往往没有考虑在实际工程中超级电容的电压、充放电深度以及经济性等影响因素，工程应用效果欠佳。
在城市轨道交通系统的车辆上安装储能装置，制动电流的通路比在地面安装储能装置的制动电流通路要短得多，可有效地减少电能的损耗，相应减少二氧化碳排放。车载储能装置充电阀值电压较低，因此车载储能装置系统在节能、稳定线网电压和减少电网峰值功率等方面均有明显的优点。车载超级电容器储能装置的配置应根据线路情况、行车组织、车辆形式和供电方案等方面进行模拟计算，同时结合投资、电费等经济因素进行综合分析。在地铁车辆上安装车载储能装置并优化车载储能装置主要参数的工作数值具有良好的节能效果和投资回报率，兼顾了社会效益与经济效益。
作为本发明的进一步改进，还包括超级电容最优的放电深度的确定，见式(20)
其中，式(20)中dopt表示超级电容最优的放电深度。
采用上述技术方案的有益效果是：确定了超级电容最优的放电深度，决定超级电容放电量与额定容量的百分比。
作为本发明的更进一步改进，车辆制动时产生的能量见式(1)
超级电容组的质量ms的大小和车辆制动时产生的能量为Ebr和选择的超级电容的能量密度ρ见式(2)
由式(1)和(2)确定Ebr，见式(3)
采用上述技术方案的有益效果是：车辆制动时产生的能量是经由多种参数推导得出，准确度高于现有推算方式。
作为本发明的又进一步改进，当以恒定的制动减速度a对车辆进行制动，车辆在制动过程中的速度见式(4)，对应的制动能量的表达式见式(5)
v＝v0-at (4)
采用上述技术方案的有益效果是：确定了恒定的制动减速度的工况下的能量状态。
作为本发明的又进一步改进，步骤四中包括计算车辆产生的制动最大功率Pbr，max，见式(7)
采用上述技术方案的有益效果是：式(7)能获得更精准推算出车辆制动产生的最大功率。
作为本发明的又进一步改进，步骤五中包括计算超级电容配置的电容总数Nmin，见式(19)
采用上述技术方案的有益效果是：确定满足条件下的最优最少的电容总数，这样能控制电容设备成本，也能降低电容重量，反过来有利于电能的高效利用。
作为本发明的又进一步改进，步骤五后还有步骤六，步骤六、对计算的电容总数，根据电压要求进行推算，确定电容总数，重新推算IC，max、dopt；步骤六中当dopt＜0.5或N/NS不等于整数，则返回到步骤三，重新进行IC，max的选择，其中，NS表示需串联的超级电容的总数。
采用上述技术方案的有益效果是：搭建了一个可以回程到步骤三的回路，能引导选择出最优的参数。放电深度的区间选择是为了限定较优的工作区间，需串联的超级电容的总数的选择要保证电压需求，同时保证并联的支路数，所以比值要是整数。
一种地铁车载储能系统，包括：超级电容器组、斩波器、直流快速断路器、微机控制单元、逆变器；所述逆变器包括牵引逆变器、辅助逆变器，所述牵引逆变器、辅助逆变器分别连接有牵引电机、辅助设备；所述斩波器连接有超级电容器组，还通过直流快速断路器连接有直流母线；在牵引工况下，超级电容器组释放能量，通过斩波器升压，给牵引电机能量；在制动工况下，所述牵引电机再生制动回收的电能通过斩波器降压，所述超级电容器对斩波器降压后的电能进行储存；所述直流母线为1500V，所述超级电容器组的最大电压为1000V。
采用上述技术方案的有益效果是：微机控制单元能辅助智能化控制，相应速度快，当短路、过流的情况发生时，直流快速断路器会自动跳闸，起到保护作用。辅助逆变器、辅助设备是为其他电容外的辅助设备提供的线路。当连接的是1500V的直线母线时，限定超级电容器组的最大电压为1000V，提供这个界限是为超级电容的使用寿命提供保障。
作为本发明的又进一步改进，超级电容器组中单体的工作电压选取2.5V，车载储能系统主电路的占空比范围在三分之一至三分之二。
采用上述技术方案的有益效果是：超级电容阵列最小工作电压取值为最大工作电压的一半，以此计算超级电容器串、并联个数的方法。因为该方法只考虑了超级电容阵列的理论容量与待吸收电制动能量间的约束关系，忽略了其功率与车辆电制动功率间的约束关系，即基于容量约束配置方法配置的超级电容阵列吸收功率远小于车辆电制动功率，造成电制动能量的浪费，影响系统节能效果。单体的工作电压的选择与占空比的范围也都是适应实际的优选值。
作为本发明的又进一步改进，超级电容器组的外表面具备箱体，箱体底部的水平底板上具备可开合的进风板，进风板打开后会在箱体的水平底板之间构成进风口，箱体的形心之上且在侧立面上具备排风机，排风机为离心风机，离心风机的叶轮位于箱体内部，离心风机的出风口位于箱体外侧，进风口、出风口开口方向彼此相背；箱体具备若干个电容模组，相邻的电容模组之间具备竖向的间隙，箱体内壁的底部具备上凸的导流板，导流板位于间隙的正下方；进风板连接有转角气缸，进风板打开状态下，进风板与箱体的水平底板间的夹角为30°；箱体内部的平均温度为40℃。
采用上述技术方案的有益效果是：构造了超级电容组的具体大致结构，特别是散热风路，进风口夹角大小的选择能限定箱体内的空气流速范围，让平均温度保持40℃，在此温度下能辅助超级电容组在最优工况下工作。散热风路是从底部穿入再从顶部两侧涌出，适应地铁车辆的车架结构。导流板引导气流涌入间隙，整个的气流流速快，能迅速带走电容表面附近的热量，减少一些无用的紊流。离心风机的出风口也是背离地铁车辆运行方向的，保证整个风路的流畅。同时离心分机比轴流风机排风效率高。在一些如车辆静止的特殊工况下，排风机可以主动工作，从进风口从被动进风变为主动进风，时刻保持对箱体内温度的可控。转角气缸控制进风板的开合角度，进风板的稳定位置不止两个极限位置，进风板对气流量控制的自由度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种实施方式下车载超级电容优化配置流程图；
图2是本发明一种实施方式的结构原理图；
图3是本发明一种实施方式下在能量一定的情况下，放电深度d和电容数N的关系；
图4是本发明一种实施方式下在功率一定的情况下，放电深度d和电容数N的关系；
图5是本发明一种实施方式下充放电深度d、能量、功率、电流和电容数N的关系；
图6是本发明一种实施方式下在不同温度时，超级电容器使用寿命和工作电压的关系曲线图；
图7是本发明一种实施方式的在不同电压时，超级电容器使用寿命和工作温度的关系曲线图；
图8是本发明一种实施方式的车辆的基本参数表；
图9是本发明一种实施方式的车载能量存储装置中超级电容的参数表；
图10是本发明一种实施方式的超级电容阵列配置表；
图11是本发明一种实施方式的超级电容器组的主视图；
图12是本发明一种实施方式的超级电容器组的A-A剖视图；
图13是本发明一种实施方式的超级电容器组的俯视图；
图14是本发明一种实施方式的超级电容器组的B-B剖视图。
1-箱体；2-电容模组；3-进风板；4-排风机；5-进风口；6-出风口；7-导流板；8-间隙。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
车辆制动时产生的能量为Ebr：
式中mt表示车辆的质量；msc表示超级电容组的质量；ηmech为齿轮箱的机械效率为齿轮箱的机械效率；ηmech为电机的效率；ηinv为牵引变流器的效率；ηdcdc为储能变流器的效率；ηsc电容组的效率；v0为制动时的初速度。
超级电容组的质量msc的大小和车辆制动时产生的能量为Ebr和选择的超级电容的能量密度ρ有关，它们之间的关系可以用式(2)来表示。
由式(1)和(2)，车辆制动时产生的能量为Ebr则可以表示为式(3)，在既定车辆、既定线路和已知超级电容的能量密度ρ的情况下，就可以根据式(3)确定车辆制动时产生的能量为Ebr。
如果以恒定的制动减速度a对车辆进行制动，车辆在制动过程中的速度为式(4)所示。此时对应的制动能量的表达式为式(5)所示。
v＝v0-at (4)
根据车辆制动功率与能量的关系，车辆制动功率的表达式为式(6)所示。
当车辆开始制动，直到车辆停止，这时车辆所需的制动功率为最大，即t＝0时，则
从式(7)可以看出，最大制动功率的大小是和车辆开始制动时的初速度v0、制动减速度a成正比，初速度越大，制动减速度越大，车辆在制动时所需的功率越大。
超级电容组存储的能量EESS和它的放电深度d有关，放电深度可以由式(8)来表示；
d＝USC，min/USC，max (8)
式中USC，min为超级电容组最低的输出电压；USC，max超级电容组的最高输出电压。
超级电容组的存储的能量EESS由式(9)表示。
式中C为超级电容组总的电容量。
超级电容在工程使用中，一般是通过串并联的形式来构成超级电容存储系统，如果超级电容存储系统由n个单体电容为CS的电容串联，m个串联支路再进行并联而成。则超级电容存储系统总的电容量可以由式(10)表示。
C＝mCS/n (10)
超级电容的单体电容CS最高电压为UC，max，则
USC，max＝nUCmax (11)
由式(9)、(10)和(11)，超级电容的存储的能量EESS可以由式(12)来表示。
其中N＝nm，表示超级电容的总数。
能量存储系统在放电状态下总的功率为式(13)所示。
PESS，disch arg ed＝nUC，maxd·mIC，max
＝NUC，maxIC，maxd (13)
式中IC，max为超级电容的单体电容CS最大电流。
能量存储系统在充电状态下总的功率为式(14)所示。
PESS，ch arg ed＝nUC，max·mIC，max
＝NUC，maxIC，max (14)
由式(12)、(13)和(14)可以看出，存储的能量EESS、放电功率PESS，discharged和充电功率PESS，charged的大小只和存储系统总的电容总数有关，和它们串联、并联的配置没有关系。
为了使超级电容能量存储系统能够吸收所有的制动能量，同时满足功率要求，则必须满足不等式(15)和(16)。
EESS≥Ebr (15)
PESS，disch arg gd≥Pbr，max (16)
将式(15)和(16)代入式(12)和(13)，则可以得出超级电容能量存储系统所需的电容总数量，满足不等式(17)和(18)。
在满足功率和容量的前提条件下，尽量减少存储系统的电容的总数。一方面可以减少存储系统的质量和安装所需的空间；另一方面可以适当减少资金投入。由不等式(17)和(18)，可以得到存储系统的超级电容组的最优配置。最小的电容总数Nmin、电容最优的放电深度dopt、以及最优的超级电容最大电流IS，maxopt，分别可以由式(19)、(20)和(21)来表示。
ICmax值的选择由很多因素决定，包括超级电容组存储能量EESS的放电策略和效率、超级电容器的冷却条件等。根据文献，该数值一般取超级电容短路电流的0.12倍比较合适。为了保证超级电容器组较大的充放电功率，同时超级电容器组的充放电能量较快，应将车载储能系统主电路的占空比控制在1/3至2/3之间，对于1500V的直流电网，超级电容器组的电压最小值为500V、最大值为1000V，在计算过程中，如果dopt＜0.5，则要重新选择ICmax的值，对其值进行调整。基于最优的放电深度的车载超级电容优化配置流程如图2所示。
车载储能装置成本与经济效益计算模型的搭建如下。对于地铁车辆车载储能系统项目而言，其全寿命周期过程分为两个阶段：建设阶段和运营阶段。参照已有的研究成果和全寿命周期成本理论，结合我国储能技术的实际情况，将储能全寿命周期成本分为两大类，即投资成本和运行维护成本。
车载储能系统包括超级电容器组和功率转换系统(PCS)，前者存储电量，后者进行功率转换，通常两者的寿命不一致，为方便计算将两者寿命认为一致。因此超级电容器组的寿命直接会有影响储能装置的全寿命成本和经济效益。
首先，关于储能超级电容器寿命计算模型。超级电容器的失效标准定义其容值衰减为标称值的80％，超级电容器在不同环境下工作时，超级电容器的使用寿命会有所不同。超级电容器在额定电压和常温(25℃)情况下工作时，全寿命的循环次数可以达到100万次，而其运行年限一般为10年左右。在大部分轨道交通储能技术的文献中普遍认为超级电容的循环次数不随其放电深度而变化，其循环次数较为固定。
超级电容器剩余容量的百分比是表征超级电容退化程度的特征参数，在对超级电容单体进行性能评价时，我们往往需要测量得到，把测量值同标称值作比较，从而判断超级电容是否失效。
工程上超级电容寿命的决定性因素主要是工作电压和环境温度。温度越高超级电容器的寿命越短；超级电容器施加电压要比不施加电压的寿命要短，施加电压低于额定电压会使得超级电容器的寿命延长，而施加电压高于额定电压，则超级电容器的寿命将缩短，甚至寿命缩短的速度会更快。假设在温度为T0，电压为U0的条件下，定义超级电容的额定寿命为MSL(T0，U0)，在温度-电压组合下，超级电容寿命MSL(Tx，Ux)的一般表达式为：
式中：n为电压幂律指数；k＝8.62×10-5eV/K为波尔滋曼常数；Ea和n都属于未知常数；其余为已知常数和变量。对于不同厂家生产制造的超级电容单体所对应的未知常数会有所区别，一般未知常数的确定需要对单体进行长时间的电压和温度实验，实验过程中始终保持单一变量(温度或者电压固定)，得到一系列不同条件下电容的寿命数据，即可推算出未知常数的具体值。
接着是关于储能系统全寿命周期成本计算模型。全寿命周期成本WTOL如(23)式，WE、WP分别为储能装置的容量与功率成本，其通常由初始投资(超级电容器组和功率转换系统成本)及运行维护成本组成，初始投资成本取决于回收制动能量与功率的大小，运行维护成本可以根据初始投资进行估算，见式(24)和式(25)。
WTOL＝WE+WP (23)
式中，x％、y％分别为储能容量与功率的运行维护成本的估算比值；me、mp分别为单位储能电量与功率的成本；E、P分别为车载储能装置的额定容量与功率；r为贴现率；T为储能装置全寿命周期，超级电容的寿命直接影响着储能的成本经济效益，将详细建立寿命计算模型。
接着是超级电容储能经济效益计算数学模型。运用超级电容车载储能技术直接的经济效益主要来自于节约电能，全年的电费节约主要取决的因素有地铁车辆运行一趟储能装置的循环次数N1、每天该列车的运行趟数N2、全年该趟列车的实际运行天数N3、电阻制动的占比约为总制动能量的百分比η1、超级电容器组将电阻制动能量的进行回收的百分比η2、在既定线路上既定车辆满载的制动能量E和电费的单价ρi。超级电容器储能经济效益计算数学模型如式(26)所示。
B1＝N1N2N3η1η2Eρi (26)
实际应用中，以在南京地铁1号线的车辆上安装车载超级电容储能装置为算例，对其经济性进行评估，计算所需车辆的基本信息见图9。
以在南京地铁1号线的车辆上安装车载超级电容储能装置为算例，对其经济性进行评估，计算所需车辆的基本信息见图9。车载能量存储装置中超级电容CRRC-07500-P1-2R7的参数见图10。储能变流器的效率ηdcdc为0.95；超级电容组的效率ηsc为0.90，ηsc的高低和超级电容组内阻RSC的大小有关，内阻越大，相应的超级电容组的效率会越低。
车载超级电容器的优化配置
根据车辆和超级电容的参数来确定满足能量存储条件下的电容总数、最优的电流值和放电深度。
根据式(3)确定车辆在定员载荷负载质量情况下，制动时产生的能量为
根据式(7)确定车辆所需的最大制动功率为
ICmax值的一般取超级电容短路电流的0.12倍比较合适，由表2可知，CRRC-07500-P1-2R7型超级电容的短路电流为6000A，因此首先取ICmax值为720A，超级电容的额定电压为2.7V，工作电压低于额定电压会使得超级电容器的寿命延长，这里取其工作电压为2.5V，再根据式(19)和(20)来计算最小的电容总数Nmin以及电容最优的放电深度dopt。
在工程应用过程中，为了提高超级电容储能系统的效率，不仅要将超级电容组的端电压控制在一定的范围内，放电深度应该大于等于0.5。因此串联的电容数在满足端电压的情况下，其值是一个定值。
车载储能装置超级电容器组的电压最大值为1000V，为满足超级电容器组的电压要求，在超级电容工作电压为2.5V的情况下，需要串联的电容器单体的个数Ns为400，根据最大电流为720A计算时，电容的总数为803，需要通过对IC，max进行调整，使电容组的总数正好是400的倍数，总数应该取800，并联的电容支数NP应该为2。在超级电容器总数为800的情况下，由公式(21)可得ICmaxopt。
IC，max＝725A (30)
确定了电容总数和最大电流，由式(19)计算超级电容的放电深度。其值如(31)所示：
dopt＝0.66 (31)
表示的是超级电容器组，mS表示的是单个超级电容器，前者是后者的简单串并联，本质没有区别，仅是容量大小的区别，实际地铁车辆往往也不止单个超级电容器，往往是超级电容器组。
在Matlab中建立的仿真模型，在满足能量要求的情况下，超级电容放电深度和超级电容数之间的关系可由图3中的曲线表示。通过图3可以看出，在能量一定的情况下，超级电容数随着放电深度的增加而增大，在放电深度大于0.7时，在放电深度变化相同的情况下，所需的超级电容的增加数量特别大。因此放电深度的取值应该小于0.7。
在满足功率要求的情况下，超级电容放电深度和超级电容数之间的关系可由图4中的曲线表示。通过图4可以看出，在功率和充放电深度一定的情况下，超级电容数随着最大制动电流的增加而减少。在功率和最大制动电流一定的情况下，超级电容数随着放电深度的减小而增加。在放电深度小于0.5时，在放电深度变化相同的情况下，所需的超级电容的增加数量特别大。因此放电深度的取值应该大于0.5。
在满足能量、功率要求的情况下，超级电容的电流、放电深度和超级电容数之间的关系可由图3中的曲线表示。
由图5可以看出，受空间和重量的限制，在配置过程中，存储装置的电容数应该优先选择800。通过Matlab仿真，可以得出在满足能量要求的情况下，充放电深度和电容数的关系，充放电深度越大，所需的电容数越多。满足功率和超级电容最大电流要求的情况下，充放电深度和电容数的关系，充放电深度越大，所需的电容数越少。超级电容的负载循环次数和其放电深度有关，其值越大，负载的循环次数越多，在满足容量和功率的前提下，尽量使电容的充电深度越大越好，在一定程度上可以延长超级电容的使用寿命。综合考虑满足能量和功率、最大电流等方面的因素，最终确定理想的充放电深度和超级电容器的总数。
仿真进一步验证了理论分析的正确性。
在工作温度相同的情况下，超级电容器的使用寿命会随着电压的升高而缩短，同时也可以看出，从t＝308K(35℃)升到到t＝313K(40℃)超级电容器使用寿命的降低幅度要比从t＝313K(40℃)升到到t＝318K(45℃)的要大。
在工作电压相同的情况下，超级电容器的使用寿命会随着温度的升高而缩短；随着温度的升高，电压变化对于超级电容器的使用寿命的影响会越来越小；在U＝2.4V升到到U＝2.5V和从U＝2.5V升到到U＝2.6V，超级电容器使用寿命的降低幅度要比从U＝2.6V升到到U＝2.7V的要小很多。为了保证超级电容器组较大的充放电功率，同时超级电容器组的充放电能量较快，应将车载储能系统主电路的占空比控制在1/3至2/3之间，对于牵引网电压为1500V的直流电网，车载超级电容储能系统的最大电压应该为1000V，因此超级电容器单体的工作电压选取U＝2.5V较为合适。
根据本文提到的约束配置方法配置得到的超级电容阵列配置结果见图10。图10是基于CRRC-07500-P1-2R7超级电容的配置结果。
超级电容器在工作过程中的温度直接会影响其使用寿命，温度越低，超级电容器的使用寿命相对会越长，超级电容器组的散热系统直接会影响超级电容器的温度。散热系统进风口一般布置在其箱体底部的两侧，同时安装倾斜30°的导流板可以让冷却风迅速地流向超级电容器组的中部；电容模组外区域以及上下两层电容模组间都有挡风结构，让下层的冷却风均匀地从电容模组之间的间隙通往上层空间，最后通过风扇从箱体两侧的出风口排出。
以超级电容器组的设计结构及运行参数为基础，使用FLU-ENT-airpak软件建立整个超级电容器组通风散热系统的数学模型，对给定风量下的超级电容器组散热性能进行仿真计算，获得储能电源内部的环境温度(即超级电容单体周围空气温度)。当送风量为670m3/h时，超级电容器组内部的平均温度在40℃左右。
本文车载超级电容器储能装置采用宁波中车新能源自主研发制造的7500F的超级电容，这种类型的电容单体对应式(22)中的系数分别为：Ea＝0.5eV；n＝0.6。在温度为25℃(298k)和电压为2.1V的额定条件下，电容的初始寿命MLS(25℃，2.1V)为95000h。在Matlab中建立的仿真模型，在超级电容工作在不同温度时，其使用寿命和工作电压的关系曲线如图6所示。在超级电容工作在不同电压时，其使用寿命和工作温度的关系曲线如图7所示。
从图6可以看出，在工作温度相同的情况下，超级电容器的使用寿命会随着电压的升高而缩短，同时也可以看出，从t＝308K(35℃)升到到t＝313K(40℃)超级电容器使用寿命的降低幅度要比从t＝313K(40℃)升到到t＝315K(44℃)的要大。
从图7可以得出以下结论：(1)在工作电压相同的情况下，超级电容器的使用寿命会随着温度的升高而缩短；(2)在U＝2.4V升到到U＝2.5V和从U＝2.5V升到到U＝2.6V，超级电容器使用寿命的降低幅度要比从U＝2.6V升到到U＝2.7V的要小很多。因此本文超级电容器工作电压选取U＝2.5V，而不选择U＝2.7V；(3)随着温度的升高，电压变化对于超级电容器的使用寿命的影响会越来越小。
根据仿真结果可知，车辆中超级电容工作的平均温度为40℃(313k)，工作电压为2.5V，则可以推算出车载超级电容的平均寿命为：
基于上述有关超级电容器组的全寿命周期成本分析，储能装置的全寿命周期主要包括初始投资(超级电容器组和功率转换系统成本)及运行维护成本。在南京地铁1号线车辆满载制动一次储能装置吸收的能量E＝2.949kWh，制动功率P＝955.597kW，车辆中超级电容器工作的平均温度为40℃(313k)，工作电压为2.5V，其平均寿命是33662h，全年的运行天数按照340天进行估算，每天运营17小时，则T＝5.8，计算储能系统全寿命周期成本所需的其他参数取值为：x％＝y％＝2％，me＝160000元/kWh，mp＝2400元/kW，r＝0.05。
根据(7)～(9)式，储能系统全寿命周期成本为
关于车载超级电容器储能装置的经济性评估，有实际的应用案例。南京地铁1号线总共32站，每天15趟，全天的制动次数480次，全年的运行天数按照340天进行估算，全年的制动次数为163200，在满载工况下，超级电容器组年储存电能约481.3M Wh；根据南京1号线的一辆车测试分析，电阻制动的占比约为总制动能量的40％，采用超级电容器组将电阻制动能量的80％进行回收，按照1元/KWh计算，全年可节约电费154008.58元。以南京地铁1号线车辆超级电容器组储能装置成本投资约为572303.91元，大概需3.7年可利用节省的电能收回设备投资，没有超过超级电容器等设备主要元件的使用寿命，在其设备使用寿命期间可节约电费约323418.02元，南京地铁1列车在设备使用寿命期间则可节约电费1940508.11元，产生了良好的经济效益。
如图2所示，车载超级电容储能装置的电气系统主要由超级电容器组、斩波器、直流快速断路器和微机控制单元等组成。该吸收装置体积较小，质量轻，具有较大的功率，传输线路较短，浪费在线路上的电能损耗小。利用超级电容快速的充放电特性来实现地铁车辆再生电能的吸收和利用。当供电区间内有地铁车辆处于牵引工况需要电能时，该储能装置就释放电能以供车辆利用。既能解决牵引网电压波动问题，又能达到节约电能的目的，也适合作为地铁车辆的备用电源进行应急牵引。
超级电容器组的外表面具备箱体1，箱体1底部的水平底板上具备可开合的进风板3，进风板3打开后会在箱体1的水平底板之间构成进风口5，箱体1的形心之上且在侧立面上具备排风机4，排风机4为离心风机，离心风机的叶轮位于箱体1内部，离心风机的出风口6位于箱体1外侧，进风口5、出风口6开口方向彼此相背；箱体1具备若干个电容模组2，相邻的电容模组2之间具备竖向的间隙8，箱体1内壁的底部具备上凸的导流板7，导流板7位于间隙8的正下方；进风板3连接有转角气缸，进风板5打开状态下，进风板5与箱体1的水平底板间的夹角为30°；箱体1内部的平均温度为40℃。
为了方便表现结构原理，图14相比图11，进风板3是打开的状态。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种地铁车载储能系统参数确定方法，其特征在于，包括：
步骤一、在既定线路和既定车辆下，分别确定mt、mS、ηmech、ηem、ηinv、ηdcdc、ηs、a和v0；
步骤二、根据所选择的超级电容的型号，由超级电容存储的能量和模块质量来确定其能量密度ρ；
步骤三、根据所选择的超级电容的短路电流值，选择IC,max；
步骤四、计算车辆制动时产生的能量为Ebr和车辆产生的制动最大功率Pbr,max；
步骤五、根据所选择的超级电容器参数CS、US,max和IC,max；
其中，mt表示车辆的质量，mS表示超级电容组的质量，ηmech表示齿轮箱的机械效率，ηem表示电机的效率，ηinv表示牵引变流器的效率，ηdcdc表示储能变流器的效率，ηs表示电容组的效率，a表示制动减速度，v0表示制动时的初速，ρ表示超级电容的能量密度，IC,max表示超级电容的单体电容CS最大电流；
根据超级电容组存储能量EESS的放电策略和效率、超级电容器的冷却条件，建立模型来确定最优的超级电容最大工作电流，见式(21)
其中，式(21)中IS，maxopt表示最优的超级电容最大电流，N表示储能系统电容组的电容的总数目，Pbr,max表示最大制动功率，Ebr表示车辆制动时产生的能量，CS表示单体电容的容量，UC,max表示超级电容的单体电容CS最高输出电压，US,max表示超级电容的最高输出电压；
车辆制动时产生的能量见式(1)
超级电容组的质量ms的大小和车辆制动时产生的能量为Ebr和选择的超级电容的能量密度ρ见式(2)
由式(1)和(2)确定Ebr，见式(3)
所述步骤四中包括计算车辆产生的制动最大功率Pbr,max，见式(7)
2.根据权利要求1所述的一种地铁车载储能系统参数确定方法，其特征在于：还包括超级电容最优的放电深度的确定，见式(20)
其中，式(20)中dopt表示超级电容最优的放电深度。
3.根据权利要求2所述的一种地铁车载储能系统参数确定方法，其特征在于：当以恒定的制动减速度a对车辆进行制动，车辆在制动过程中的速度见式(4)，对应的制动能量的表达式见式(5)
v＝v0-at (4)
4.根据权利要求3所述的一种地铁车载储能系统参数确定方法，其特征在于：所述步骤五中包括计算超级电容配置的电容总数Nmin，见式(19)
5.根据权利要求4所述的一种地铁车载储能系统参数确定方法，其特征在于：所述步骤五后还有步骤六，
步骤六、对计算的电容总数，根据电压要求进行推算，确定电容总数，重新推算IC,max、dopt；
步骤六中当dopt＜0.5或N/NS不等于整数，则返回到步骤三，重新进行IC,max的选择，其中，NS表示需串联的超级电容的总数。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |