超级电容与电池混合储能系统研究

项目名称：超级电容与电池混合储能系统研究

项目介绍：

现代有轨电车采用车载储能供电方式，具有提高再生能量利用率，实现无接触网供电方式等优点，在国内外得到越来越广泛的应用。日本铁道综合技术研究中心研发的锂离子电池储能式有轨电车“Lithey-tram”和“Hi-Tram”分别于2005年和2007年投入运营。2008年，装有西门子公司研制的Sitras HES超级电容与蓄电池混合储能系统的有轨电车在葡萄牙运营。2014年，中国南车株洲所研发的超级电容储能式100％低地板有轨电车在广州海珠线投入运营。

相比于单一储能元件的储能系统，超级电容与蓄电池混合的车载储能系统将超级电容的大功率密度特点和电池的大能量密度优势相结合，具有满足列车频繁启停需要，延长续航里程，提高再生能量利用率，降低系统成本，延长储能系统寿命等优点。对用于现代有轨电车的超级电容与电池混合储能系统的研究主要包括电池管理系统研究、电力电子变换器拓扑结构与控制研究、电池电容容量配置研究、储能系统能量管理策略研究等。

研究内容：

针对超级电容与电池混合储能系统在现代有轨电车中的应用，本课题的研究主要有以下三方面：

（1）超级电容与电池混合储能系统方案设计、建模与仿真

研究内容包括：

a 混合储能系统方案设计，包括

电池管理系统的基本功能需求分析，进行电池状态估计、均衡电路设计、充放电算法等研究

储能系统容量配置：进行现代有轨电车对储能系统的能量与功率要求的边界条件分析，进行储能系统整体容量配置及电池电容最佳配比研究

系统拓扑与电力电子变换器选择分析：进行不同形式的混合储能系统拓扑结构、不同类型的双向DC/DC变换器的比较与分析，选择最佳方案

结合电池、电容的特性需求，进行双向DC/DC的控制方法设计；结合车辆的功率和能量特性需求，进行混合储能系统能量分配策略设计

b混合储能系统（电池、超级电容、电力电子变换器等）特性分析与建模

c搭建混合储能系统仿真平台（包括基于电动小车的仿真平台和基于实际现代有轨电车的仿真平台），进行基本功能的仿真验证及不同电池电容容量配比、控制算法等分析比较。

（2）混合储能系统小功率实验平台

研究内容包括：

a基于微型电动汽车，搭建电池电容混合储能系统小功率实验平台，实现电池电容混合供电的电动汽车基本功能

b在小功率实验平台上验证电池管理系统功能、电力电子变换器控制方法、混合储能系统容量配置算法和能量控制策略，进行问题分析和优化方案设计。

（3）用于现代有轨电车的大功率混合储能系统研究

研究内容包括：

a基于实际的现代有轨电车，搭建大功率等级的车载混合储能系统实验平台

b以永磁同步电机为负载，实现混合储能系统驱动永磁同步电机的功能

c根据实际车辆及线路参数、现代有轨电车的功率特性，进行最优能量分配方法研究。

研究目标：

完成用于现代有轨电车的电池与超级电容混合储能系统控制软件开发和大功率等级的硬件实物平台调试

研究成员：郭婷婷、王钟嵩、熊师、张弛、诸斐琴

各成员研究方向：

郭婷婷：混合储能系统拓扑分析与变换器控制

王钟嵩：混合储能系统容量配置研究

熊师：电池管理系统研究

张弛：车辆控制与混合储能系统能量管理

诸斐琴：混合储能系统能量管理

项目进展：

进行了研究相关的文献调研

进行了混合储能的电动小车实验平台初步方案设计