有轨电车混动技术的功耗与节能分析

列车能耗分析采用基于功能转换的列车能耗计算方法。由于燃料电池/超级电容100%低地板现代有轨电车配备有车载储能部件，可将制动能量回收并存储，所以进行列车能耗分析时就需要考虑再生制动能，从列车运行牵引能耗和再生制动能两个方面进行列车能耗分析。

项目组利用自主开发的混合动力列车运行仿真平台，对车载动力电池、超级电容、燃料电池这种复合形式电源系统的现代有轨电车进行了运行仿真和节能分析。

1.列车运行牵引能耗相关概念

列车运行过程可以分为起动阶段、恒速（准恒速）运行阶段、惰行阶段和制动阶段4个环节。根据列车轮周牵引力各阶段做功与否以及与其他影响因素的关系特征，可以进行列车牵引能耗的计算。

1）列车牵引系统输入能量：列车在运行时牵引系统从直流母线获得的总电能，其值是运行时间内直流母线电压和电流乘积的积分，包括辅助设备消耗的能量。

2）电源系统输出能量：列车在运行时车载储能部件输出的总电能，其值是运行时间内各储能部件输出电压和电流乘积的积分累加之和。

3）再生制动回收能量：列车在运行时通过再生制动反馈回直流母线的能量，其值是制动时间内制动力所做的功与列车制动系统总效率的乘积，由于车载储能设备回收能力有限，所以剩余一部分电能是被制动电阻消耗。

4）制动电阻消耗能量：制动过程中在制动电阻上消耗的能量，其值是制动时间内流经制动电阻的电流平方与制动电阻阻值乘积的积分。

5）列车实际牵引能量：列车在运行时牵引系统实际消耗的电能。列车实际牵引电能=列车牵引系统输入能量-（再生制动回收电能-制动电阻消耗）。

采用节能率和制动能量回收利用率两个指标对列车的能量分配进行分析。

1）节能率（ρ₁）。节能率表达式如下：

列车在起动加速时牵引系统会将大量的电能转换为列车动能，在制动时会将相当一部分列车动能通过牵引逆变器以电能的形式反馈回车载储能部件。通过对再生制动实际回收能量和列车牵引系统输入能量进行比较，可以得出运行过程中能量的转移、消耗以及能量节约情况。

2）制动回收能量利用率（ρ₂）。制动回收能量利用率表达式如下：

通过公式可以得到再生制动回收能量的利用率，也有助于对制动电阻进行分析。

2.列车能耗分析仿真实例

下面针对北京西郊线线路进行了列车运行能耗的仿真分析。

仿真设置

1）线路参数。参照第5章北京西郊线的相关数据。

2）列车参数。列车基本参数、电气设备参数见前文。

3）电源参数。动力电池、超级电容和燃料电池的相关技术参数见前文。

3.仿真结果

导入仿真基础参数后，依据设置的线路条件进行列车运行仿真，模拟列车起动加速、恒速巡航、制动进站等各种工况下的自动运行，根据列车的实时状态计算出整个运行过程中列车的牵引能耗值和再生制动回收的能量值，并形成图形化的分析结果，有助于直观地得到列车运行过程中的能耗情况，为进一步的能耗优化提供基础。

系统界面如图6-50所示。

系统实时仿真界面如图6-51所示。

系统仿真回放界面如图6-52所示。(www.xing528.com)

图6-50 系统界面

图6-51 系统实时仿真界面

所以，通过对列车进行线路仿真分析，可以直观地看出列车各个状态之间的关系曲线图。

（1）列车运行全程能量流动图 列车运行全程能量流动图直观地描述了列车运行全程各部分之间的能量转移和消耗情况，仿真结果如图6-53所示。

其中，粗线数值代表列车牵引运行消耗的能量，虚线的数值代表列车制动时再生制动回收的能量，Aux表示辅助系统，G表示电网，R表示制动电阻，B表示动力电池，C表示超级电容，F表示燃料电池，M表示牵引电机，从图中可以直观地看出每部分输出的能量值和回收利用的能量值。

（2）列车系统能耗组成分布图 列车系统能耗组成分布比例图可直观显示出整个列车系统能耗的组成部分、各部分所占的比例及能量流的方向，仿真结果如图6-54所示。

从图6-54中可以看出，在整个列车系统的能耗中，由于辅助功率很大，因此辅助能耗是最主要的部分，占了总能耗的48.6%，牵引能耗占总能耗的38.2%。

图6-52 系统仿真回放界面

图6-53 列车运行全程能量流动图

图6-54 列车系统能耗组成分布图

（3）列车电源系统输出能量分配图 从列车电源系统输出能量分配比例图可以直观地看出电源系统中各部件输出能量占总输出的比例，可以看出哪个部件是主要的能量输出者，仿真结果如图6-55所示。

从图6-55中可以看出，列车在运行过程中，燃料电池是主要的能量输出者，燃料电池的输出能量占总输出能量的74.3%，动力电池占13.8%，超级电容占9.4%。

（4）列车制动回收能量分配图 从列车制动回收能量分配图可以看出列车回收的制能量流的方向，以及各储能部件回收制动能量的比例，仿真结果如图6-56所示。

图6-55 电源系统输出能量分配比例图

图6-56 列车制动回收能量分配比例图

从图6-56中可以看出，在再生制动时，回收能量主要用于辅助系统，占总回收能量的54.1%，超级电容回收了较多制动能量，占总制动回收能量的34%，动力电池回收的能量占总制动回收能量的4.3%，制动电阻仅消耗了很小的一部分能量。

（5）能耗分析指标计算结果 经仿真计算得到，列车牵引系统输入能量为75.32kW·h，电源系统输出能量为69.05kW·h，再生制动回收电能为20.28kW·h，制动电阻消耗能量为0.88kW·h，列车实际牵引电能为55.92kW·h。

再生制动实际回收电能占列车牵引系统输入能量的比率（即节能率）为25.75%，制动电阻消耗能量占再生制动回收电能的比率为4.35%，即制动回收能量利用率为95.65%。