鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：908次 | 2022年11月22日
鋰電池在軌道交通上有什么應(yīng)用？
4月24-26日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的第九屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日下午的“儲(chǔ)能電池與技術(shù)應(yīng)用（下）”專場(chǎng)，北京交通大學(xué)教授楊中平在會(huì)上分享了主題報(bào)告《鋰電池在軌道交通上的應(yīng)用》，以下為演講實(shí)錄：
楊中平：大家下午好！我是北京交通大學(xué)的楊中平。本人不是研究電池的，而是是作為一個(gè)電池的用戶，或者說是研究電池的應(yīng)用的。因?yàn)榻陜?chǔ)能在我們軌道交通行業(yè)是非常熱門的話題，也是我們研究的一個(gè)重要的技術(shù)方向，所以今天我想跟電池界的同行們介紹一下我們軌道交通是怎么來看待儲(chǔ)能元件的？或者說我們用這個(gè)儲(chǔ)能元件做些什么？我想跟大家分享一下這方面的情況。
大家知道，儲(chǔ)能元件在各行各業(yè)都已經(jīng)有應(yīng)用了，今天我重點(diǎn)圍繞軌道交通給大家介紹一下相關(guān)情況。
首先我想用幾個(gè)具體的例子跟大家介紹一下，這個(gè)是日本動(dòng)武線上用的鈦酸鋰電池，由于這兩個(gè)變電站之間距離比較長(zhǎng)，所以早晚高峰的時(shí)候，線路中間的電壓跌落就比較厲害，于是日本就導(dǎo)入了鈦酸鋰電池，目的是干什么？大家看藍(lán)色的線，導(dǎo)入之前接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)是比較大的，我們導(dǎo)入之后的接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯減少了，對(duì)我們列車運(yùn)行性能穩(wěn)定是非常好的事情。
剛才王老師也講到日本地震非常多，我在日本生活過13年，經(jīng)常體會(huì)地震。發(fā)生地震之后，在日本無論是新干線還是城軌地鐵，首先就是把牽引供電切斷，電源切斷后最好能把乘客運(yùn)送到就近車站，所以日本在東京地鐵的千代田線導(dǎo)入了鈦酸鋰電池，用于列車實(shí)施緊急救援，速度可以跑到15km/h，把乘客運(yùn)送到就近的車站。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這是我們國(guó)內(nèi)的例子，南京的河西線，現(xiàn)代有軌電車上裝了三元電池，取消了常規(guī)的接觸網(wǎng)，到車站充電。
這是超級(jí)電容在德國(guó)的的曼哈姆有軌電車上的應(yīng)用，車頂上裝了功率300千瓦的超級(jí)電容，目的是用于再生能量回收以及補(bǔ)償接觸電壓的跌落。
這個(gè)也是日本的例子，車載電池的應(yīng)用。日本雖然鐵路非常發(fā)達(dá)，但也有很多非電氣化區(qū)間，所以它想實(shí)現(xiàn)交流電氣化區(qū)間和非電氣化區(qū)間的直通運(yùn)行，于是在車載裝了360千瓦的鋰離子電池，2017年投入了運(yùn)行。
另外一個(gè)超級(jí)電容的例子，是我研究室、中車四方車輛研究所北京地鐵以及北京城建設(shè)計(jì)院等一起研發(fā)的，應(yīng)用在北京地鐵八通線上，超級(jí)電容功率為1兆瓦的，每天可以節(jié)能1300kWh左右。
這個(gè)是最近我們跟盾石飛輪公司在北京地鐵房山線研發(fā)的飛輪儲(chǔ)能裝置，用于再生制動(dòng)能量的吸收和利用，兩周之前我們?cè)诒本┑罔F房山線上的實(shí)驗(yàn)成功了。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
這張表是電池、超級(jí)電容在軌道交通上的應(yīng)用實(shí)例。總而言之，電池在軌道交通應(yīng)用在日本是應(yīng)用非常多的，也問了一下日本專家為什么電池用的多？用電容用的比較少？日本的回答很簡(jiǎn)單，說電池比較便宜。當(dāng)然，客觀地講，目前電池還是比較貴的。除日本外，電池在韓國(guó)、意大利也有應(yīng)用。超級(jí)電容也有很多應(yīng)用的。
我們軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池或者儲(chǔ)能元件充滿了什么期待呢？總體兩看，鈦酸鋰電池?zé)o論從功率密度還是能量密度，從我們軌道交通上需要大功率儲(chǔ)能的話，目前來看是比較理想的元件，所以軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池相對(duì)比較鐘情就是這個(gè)原因。
大家知道鈦酸鋰電池壽命長(zhǎng)，這是東芝鈦酸鋰實(shí)際循環(huán)壽命測(cè)試曲線，1.4萬次試驗(yàn)后容量保持依然很好，內(nèi)阻也沒有什么變化，我們軌道交通希望電池壽命在8年或者10年以上。關(guān)于安全性，上午有位專家已經(jīng)介紹了，時(shí)間關(guān)系不說了。
鈦酸鋰電池假設(shè)導(dǎo)入我們軌道交通，根據(jù)電池設(shè)置的位置的不同能產(chǎn)生多種組合，這對(duì)我們軌道交通技術(shù)是很大的推進(jìn)。具體來講，一種是我們把儲(chǔ)能裝置放在變電所里面，或者放在變電所之間。還有一種可以放在車上。這樣就產(chǎn)生1、2、3、4、5、6、7種組合。
總而言之，因?yàn)橛辛藘?chǔ)能技術(shù)的進(jìn)行，實(shí)際上變相推動(dòng)了我們軌道交通的技術(shù)進(jìn)步，帶來哪些好處呢？有一些是大家容易理解的，如再生制動(dòng)能量的吸收和再利用，這是我們非?？粗械模灰种平佑|網(wǎng)電動(dòng)波動(dòng)；備用電源、緊急牽引；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源；輔助電源；替代變電所；可以改進(jìn)列車再生制動(dòng)特性。
目前我們有一些車上還裝著車載電阻，再生能量通過車載電阻吸收它，一旦有了儲(chǔ)能裝置之后就可以取代車載制動(dòng)電阻，同時(shí)可以把列車自動(dòng)再生性進(jìn)行很好的改善，我們要感謝儲(chǔ)能裝置給我們技術(shù)帶來的巨大進(jìn)步。
接下來我想介紹一下我們正在研發(fā)的兩項(xiàng)工作，一個(gè)是地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)。剛才講到我們開發(fā)成功兆瓦級(jí)的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，但是因?yàn)槌?jí)電容的能量密度較低，而3動(dòng)3拖的城軌列車一次7級(jí)制動(dòng)能量就能夠達(dá)到15千瓦時(shí)左右，而我們1兆瓦的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置能存儲(chǔ)的能量才只有7.2千瓦時(shí)左右，無法完全吸收列車制動(dòng)能量，所以我們希望有更大的能量密度的元件導(dǎo)入進(jìn)來。此外，雖然我們中國(guó)地震不像日本那么多，但是也有可能出現(xiàn)需要緊急救援的時(shí)候。
基于這兩個(gè)考慮，我們承擔(dān)了國(guó)家“十三五”重點(diǎn)計(jì)劃，用超級(jí)電容加上鈦酸鋰電池的混合儲(chǔ)能方式來吸收再生制動(dòng)能量，裝置我們正在研發(fā)當(dāng)中，今年年底我們將在北京地鐵上開展相關(guān)試驗(yàn)。
我們主要研究三個(gè)課題，一個(gè)是儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)本身，包括超級(jí)電容和鈦酸鋰的容量應(yīng)該如何配置？第二個(gè)是能量管制策略；第三個(gè)緊急牽引時(shí)的協(xié)調(diào)控制問題。
關(guān)于控制策略，我們現(xiàn)在也非常在意，你這個(gè)儲(chǔ)能元件在我們使用過程當(dāng)中內(nèi)阻、容量本身是一個(gè)什么樣的變化，對(duì)能量的吸收和釋放有什么影響？所以我們這個(gè)控制策略必須要把這些變化納入到我們的能量管理策略來中。
舉個(gè)例子，這是1兆瓦的超級(jí)電容裝置在實(shí)際運(yùn)行中一個(gè)發(fā)車間隔周期中電流的變化曲線，基于此，我們?cè)谘芯渴覍?duì)超級(jí)電容單體隨著循環(huán)次數(shù)增多之后電容值如何變化進(jìn)行了測(cè)試，并據(jù)此變化納入我們的能量管理控制策略當(dāng)中。
因時(shí)間關(guān)系我這里介紹一下我們現(xiàn)在正在研發(fā)的能量管理策略。之前我們非?？粗袉我坏膬?chǔ)能裝置的控制策略到底是怎么樣的，我們?cè)诒本┑罔F上非常成功的開發(fā)出來了自適應(yīng)的控制策略，后來我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該把整個(gè)系統(tǒng)納入考慮，也就是說儲(chǔ)能裝置之間應(yīng)該協(xié)調(diào)控制。我們研究的對(duì)象本身是個(gè)多儲(chǔ)能裝置、多變電所組成的能源耦合系統(tǒng)，我們現(xiàn)在想到能否用到人工智能的算法、也就是用多代理的深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行儲(chǔ)能裝置之間的協(xié)調(diào)控制。我們把每個(gè)儲(chǔ)能裝置都當(dāng)成一個(gè)智能代理，然后基于完全合作的馬爾科夫的弈模型，讓它們協(xié)調(diào)控制起來。
時(shí)間關(guān)系我給大家介紹一下我們基于直接耦合網(wǎng)絡(luò)的全線多個(gè)超級(jí)電容的分布式協(xié)調(diào)控制方法的控制結(jié)果。我們以北京地鐵八通線為研究對(duì)象，選了四個(gè)車站和兩個(gè)變電站，列車發(fā)車間隔是300秒，也就是5分鐘發(fā)車間隔的時(shí)候，我們對(duì)儲(chǔ)能裝置能量智能控制的時(shí)候，是什么樣的效果給大家展示一下。
左邊就是我們采用充放電固定閾值的時(shí)候，我們看見一個(gè)儲(chǔ)能裝置已經(jīng)充滿了、一個(gè)還沒動(dòng)作，我們經(jīng)過協(xié)調(diào)控制之后兩個(gè)可以同時(shí)充電，因次能夠?qū)⒃偕芰糠峙涞梅浅：谩Ｔ僖粋€(gè)例子，這是一個(gè)上行列車，處于牽引狀態(tài)，下行的兩列列車都處于制動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)候出現(xiàn)什么情況呢？這個(gè)儲(chǔ)能裝置在充電，因?yàn)檫@兩個(gè)距離制動(dòng)列車比較近，另外一個(gè)儲(chǔ)能裝置給處于牽引狀態(tài)的列車進(jìn)行了供電。我們進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制之后會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？這兩個(gè)儲(chǔ)能裝置都待機(jī)了，兩列制動(dòng)列車的再生能量直接給牽引列車提供牽引能量就可以了。這是我們希望出現(xiàn)的狀況，實(shí)際上列車之間交換能量是最理想的。
假設(shè)我們的列車在CD區(qū)間，讓它處于制動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候大家看，這個(gè)儲(chǔ)能裝置充電電流比較小，由于它們兩個(gè)吸收的再生能量有限，出現(xiàn)什么情況呢？我們車上有車載電阻，多余的再生能量誰吸收呢？只能靠我們車載電阻吸收了。這個(gè)時(shí)候如果我們用協(xié)調(diào)控制，控制出來的結(jié)果是什么樣呢？再生制動(dòng)能量靠這兩個(gè)儲(chǔ)能裝置，再加上牽引裝置的列車就可以把它吸收掉了，目的就是車上的制動(dòng)電阻是不啟動(dòng)的，它不來吸收任何再生制動(dòng)能量。這是我們計(jì)算出來的結(jié)果，采用新的方法之后，車載電阻消耗的能量就會(huì)越來越少。
最后按照我們從再生能量的回饋率、線路傳輸效率、節(jié)能率來看智能協(xié)調(diào)控制方法的效果?？偠灾捎弥悄軈f(xié)調(diào)控制方法后，是能夠成功的解決儲(chǔ)能裝置之間儲(chǔ)能能量分配不均衡或者列車制動(dòng)電阻消耗能量的情況，能夠比較好的解決它。
現(xiàn)在我們國(guó)家有很多城市都修建了有軌電車，我們能否用車載混合儲(chǔ)能裝置驅(qū)動(dòng)它，也是我們正在研究的課題。
我們對(duì)某一條線路的有軌電車運(yùn)行情況進(jìn)行了深入分析。這張圖想說明的是，針對(duì)特定的線路、特定的運(yùn)行條件、包括充電站的條件、儲(chǔ)能系統(tǒng)的限制等等，我們得到這么一個(gè)結(jié)論，假設(shè)站間距離只有800米以下，用純電容驅(qū)動(dòng)是合適的；如果800—1500米，電池+超級(jí)電容是更理想的，如果1500—2500米之間，我們能夠把EMS做到非常好的話，混合儲(chǔ)能都是可以的，如果超過了2.5公里的話，用有網(wǎng)供電是最佳的選擇。
我們自己開發(fā)了這么一套軟件，用戶提出要求來，用電池好、電容好、混合起來好，它的效果是怎么樣的，我們自主開發(fā)的這一套軟件可對(duì)此進(jìn)行定量評(píng)估。
舉個(gè)例子，例如我們針對(duì)某一種車型，利用我們的軟件進(jìn)行混合儲(chǔ)能配置后，發(fā)現(xiàn)混合儲(chǔ)能重量比原來可以減少24.2%。
關(guān)于有軌電車運(yùn)用的時(shí)候很關(guān)鍵的一個(gè)問題是，假設(shè)用了電池、電容混合的話，運(yùn)行中電池和電容功率到底應(yīng)怎么分配，如果你按照固定比例的話顯然不是最佳的狀況，我們做了什么工作呢？我們就針對(duì)一條具體的線路，因?yàn)槊恳粭l線路可以分成若干種運(yùn)行工況，我們把工況用大數(shù)據(jù)的方法給它整理出來，之后再用一種智能的算法，讓它運(yùn)行過程當(dāng)中根據(jù)不同的工況進(jìn)行電池和電容功率的分類。
舉個(gè)例子，例如這是我們狀態(tài)預(yù)測(cè)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，兩者吻合得是比較好的。這是我們研發(fā)的自適應(yīng)策略、理想策略的結(jié)果對(duì)比，所謂理想策略就是整個(gè)線路和車輛運(yùn)行狀況都完全知道用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法計(jì)算出來的結(jié)果。與原來的在線策略固定比例值分配來比，我們自適應(yīng)策略無論在電池壽命、系統(tǒng)損耗等等，都能夠得到比較好的結(jié)果。理想策略，結(jié)果當(dāng)然是最好的，但是運(yùn)算時(shí)間太長(zhǎng)了，所以基本上不能達(dá)到實(shí)用化的程度，自適應(yīng)算法用0.13秒就可以算出來，這樣我們就能夠朝著實(shí)用化的方向去推進(jìn)它。
實(shí)際我們軌道交通界非常感謝儲(chǔ)能界給我們提供的技術(shù)支持，現(xiàn)在電池、電容、飛輪都得到日益廣泛的應(yīng)用。我們軌道交通界應(yīng)該認(rèn)真審視電池、電容儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)我們牽引供電、列車牽引系統(tǒng)帶來新的影響，促使我們的技術(shù)更加往前推進(jìn)。希望我們軌道交通界與儲(chǔ)能界有更多的交流。謝謝大家！
