杨中平-钛酸锂电池在轨道交通中的应用研究（公开版）.pdf

北京交通大学电气工程学院 杨中平 2019年 4月 25日 钛酸锂电池在轨道交通 中的应用研究 主要内容 2 1. 储能技术在轨道交通中的应用 现状 2. 轨道交通对钛酸锂电池的期待 3. 地面式混合储能系统的研发 4. 车载式混合储能驱动系统的研发 5. 结束语 3 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 3 储能器件 超级电容 动力电池 燃料电池 飞 轮 系 统 船舶动力 轨道交通 微 网 系 统 其 他 工 业 应 用 电动汽车 4 N o d a S S T o y o s h i k i S S U n g a S t a t i o n A t a g o S t a t i o n N o d a - s h i S t a t i o n U m e s a t o S t a t i o n U n g a S t a t i o n E d o g a w a d a i S t a t i o n H a t s u i s h i S t a t i o n N a g a r e y a m a o o t a k a n o m o r i S t a t i o n T o y o s h i k i S t a t i o n K a s h i w a S t a t i o n N o d a S S T o y o s h ik i SS 7. 52 k m4. 13 k m Bat t er y P o s t 1 8 0 0 1 7 0 0 1 6 0 0 1 5 0 0 1 4 0 0 1 3 0 0 1 2 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 T E S S O F F T E S S O F F T E S S O F F T E S S O N T E S S O N T E S S O N 1 8 0 0 – 1 9 0 0 1 9 0 0 – 2 0 0 0 2 0 0 0 – 2 1 0 0 1 7 7 4 V 1 6 0 9 V 1 7 0 9 V 1 6 1 3 V 1 7 2 9 V 1 6 4 4 V 1 1 5 4 V 1 2 1 5 V 1 0 5 8 V 1 1 9 8 V 1 1 9 6 V 1 1 1 5 V F e e d i n g V o l t a g e 日本东武线 变电站之间设置电池储能系统， 抑制接触网电压波动波动。 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 5 TESS 500kW-194kWh Train 10-car 15km/h Air Conditioner ON 东京千代田线 电池储能系统的 列车救援试验 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 6 南京河西线，现代有轨电车， 2014年开通，车载 三元锂电池， 98kWh 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 7 德国 ， Mannheim有轨电车，车载 400V / 45F / 300kW / 0.85kWh的 超级电容，用于再生能量回收和补偿接触网电压跌落 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 8 日本 ， EV-E801系列车，交流电气化区间和非电气化区间运行， 车载 360kWh锂离子电池，车站充电； 2017年投入男鹿线运行 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 9 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 A n o d e c a b i n e t C a t h o d e c a b i n e t C o n t r o l c a b i n e t C o n v e r t e r c a b i n e t E D L C c a b i n e t Parameters Values Connection 14S10P Total Capacitance 117.8 F Rated voltage 672 V Rated current 1500A Power 1 MW Total internal resistance 8.82 mΩ Total stored energy 7.4 kWh Electrical parameters 八通线 地面超级电容  北京地铁房山线飞轮储能装置  能量管理单元 -上位机界面  能量管理单元  功率等级 1MW  储能量 4.5kWh  空载电压辨识功能  动态阈值调整功能 技术参数 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 11 方式 国家 线路 运营时间 技术参数 储能 装置 电池 日本 古町线 镍锰电池 名古屋铁路 锂离子电池、 2.0 MW 湖 西 线 ・北 陆 本 线 2006 锂离子电池、 351kW / 117kWh 鹿儿岛谷山线 2007 锂离子电池 神户市西神 -山手线 2007 锂离子电池、 500kW 青梅线 2013 锂离子电池、 230kW/ 76.12kWh 东武野田线 2014 东芝 SCiB电池、 500kW/200kWh 多摩 都市线（ 1500V） 2016 锂离子电池、 2MW / 74.8kWh 韩国 地铁 5号线 2011 锂离子电池、 115kW/38.06kWh 意大利 米兰地铁 3号线 1994 铅酸电池 罗马火车站 机场线 锂离子电池、 2MW/500kWh 储能 装置 超级电容 德国 科隆地铁（ 750V） 2001 700kW/2.5kWh 西班牙 马德里地铁（ 600V） 2003 700kW / 2.5kWh 日本 西武线（ 1500V） 2007 2.56MW / 6.875kWh 韩国 大同江变电所 2009 1.865MW / 10.4kWh 法国 里昂有轨电车（ 750V） 2011 300-1000kW / 1-4kWh 1. 储能技术在轨道交通中的应用现状 12 储能元件的能量密度、功率密度 20 40 60 80 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 三元 N M C 钴酸锂电池 钛酸锂电池 磷酸铁锂电池 镍氢电池 铅酸电池 镍镉电池 功率密度 W / kg 能量密度 Wh / kg 三元 N CA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 铅酸电池 2 镍铬电池 3 英特曼 IF R 1 8 6 5 0 L F P 电池 4 Bo s t o n P o w e r S o n a t a 4 4 0 0 L CO 电池 5 AT L 1 8 6 5 0 E N M C 电池 6 E - o n e M o l i IH R 1 8 6 5 0 B 电池 7 松下 NCR 1 8 6 5 0 NCA 电池 8 镍氢电池 9 A 1 2 3 AP R 1 8 6 5 0 M 1 L F P 电池 10 东芝 s c i b 能量型 L T O 电池 11 东芝 s c i b 功率型 L T O 电池 12 m ax w e l l 3 0 0 0 F 超级电容 样本点 超级电容 飞轮 12 2. 轨道交通对钛酸锂电池的期待 13 2. 轨道交通对钛酸锂电池的期待 20Ah SCiB寿命特性曲线 14 2. 轨道交通对钛酸锂电池的期待 安全性高 过压试验 针刺试验 挤压试验 15  再生制动能量的吸收和再利用  抑制 接触网 电压波动  备用电源、紧急牵引  电机驱动电源  辅助电源  代替 变电所 列车再生制动特性的改善 2. 轨道交通对钛酸锂电池的期待 16  取消车载电阻是一种趋势  再生制动限流曲线的改进 2. 轨道交通对钛酸锂电池的期待 17  解决纯超级电容的储能量不足的问题  变电所停电时能对列车实施紧急救援  延长 电池寿命  1MW EDLC系统 能量不能 满 足（ 7.42kWh＜ 14kWh）  列车紧急自牵引能量需求较大  再生制动功率与能量较大 3. 地面式混合储能系统的研发  十三五国家重点研发计划 混合储能在城市轨道交通中的应用研究 18  合作单位 北京地铁运营有限公司 ； Beijing Subway Operation Co., Ltd. 中车长春轨道客车股份有限公司； 18  研发背景 3. 地面式混合储能系统的研发 19 电池 DC / DC 变换器 整流 城市电网 变 压 器 上行线 下行线 整流 城市电网 变 压 器 超级电容 DC / DC 变换器 下行车 上行车 站台 电池 DC / DC 变换器 超级电容 DC / DC 变换器 B. 控制（能量管理）策略 - - - - . . . . . . . . . . . . C. 紧急 牵引协调控制 A. 储能装置（系统）设计 3. 地面式混合储能系统的研发 20 温度传感器 温度测试通道 连接装置 超级电容 恒温箱 电流 300𝐴 电压 0 5V ARBIN测试仪 3. 地面式混合储能系统的研发 21 U p - l i n e D o w n - l i n e R a i l R a i l B r a k i n g r e s i s t o r B r a k i n g t r a i nT r a c t i o n t r a i n - 1 0 k V / 3 5 k V - 1 0 k V / 3 5 k V - 1 0 k V / 3 5 k V 7 5 0 V / 1 5 0 0 V D C / D C D C / D C D C / D C E S S 1 E S S 2 E S S n 多车、多 ESS、多变电 所组成多能源耦合系统 时变非线性电路拓扑 系统整体效率优化 基于 MADRL的协调控制 能源优化调度与智能管理 3. 地面式混合储能系统的研发 22 仿真参数 3. 地面式混合储能系统的研发 23 固定阈值 储能系统运行曲线 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 T i m e s 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 V o l t a g e o f E S S s V U s c 1 U s c 2 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 T i m e s - 2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 C u r r e n t s o f E S S s V I s c 1 I s c 2 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 T i m e s 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 V o l t a g e o f E S S s V U s c 1 U s c 2 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 T i m e s - 2 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 C u r r e n t s o f E S S s V I s c 1 I s c 2 a b c d 协调控制 SC2充电 SC1充电 SC2满充 同时充电 3. 地面式混合储能系统的研发 24 典型场景分析  一车牵引，两车制动 固定阈值 ESS1， 2均待机，制 动车能量流向牵引车 ESS1充电， ESS2放电 协调控制 协调控制有效减少了 ESS与 ESS之间的环流， 增大车间能量交互 3. 地面式混合储能系统的研发 25  列车在 CD区间制动 固定阈值 ESS1充电电流小， 制动电阻启动 协调控制 ESS2充电电流大， 制动电阻不启动 典型场景分析 协调控制根据列车 -ESS之间的距离调整阈值，避免制动电阻启动 3. 地面式混合储能系统的研发 26 车载制动电阻电流 系统能耗曲线 系统能耗曲线 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 T i m e s 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 I b r o f t r a i n u p 1 A f i x e d - t h r e s h o l d V D N 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 T i m e s 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 I b r o f t r a i n u p 2 A 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 T i m e s 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 I b r o f t r a i n d o w n 1 A 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 T i m e s - 1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 I b r o f t r a i n d o w n 2 A BR电流减小 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 T i m e s 0 2 4 6 8 E b r k W h f i x e d - t h r e s h o l d V D N 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 T i m e s 0 2 0 4 0 6 0 E s u b k W h 3. 地面式混合储能系统的研发 27 subE lossE e s s 1,disE e s s 1,c hE traE regEbrE e s s 2,disE e s s 2,c hE 5 6 . 7 1 2 5 6 . 1 1 4 1 0 . 2 5 2 1 0 . 5 4 4 1 7 . 1 6 2 1 9 . 0 7 4 1 9 . 9 0 2 2 3 . 0 1 4 7 2 . 2 2 5 . 3 1 2 2 . 3 3 4 1 0 8 . 4 1 4 . 7 0 2 1 4 . 1 9 4 1 6 . 9 4 2 1 5 . 5 5 4 U n i t s k W h  制动能量馈网率  线路传输效率  节能率 系统能量流动分布示意图 系统能耗统计 89.84 36.89 96.77 在基于 MARL的协调控制策略下  储能系统容量得到更加充分的利用；  制动能量馈网率有效提高；  系统能量流得到优化，节能率最佳。 3. 地面式混合储能系统的研发 28 4. 车载 混合储能驱动的研发 28 1、高功率、高能量需求 有轨电车全线无网、高速运行，充电站间 隔大、道路运行条件复杂。 3、车 -地一体化 有轨电车与地面信号信息组成一个整 体，互相影响，同时能够根据地面信 息进一步优化运行。 2、快速充电 停站间隙快速补充能量，为电池、超级电 容功率分配做准备。 4、车载储能系统限制条件 车载系统对于体积、重量、寿命等 有较严格要求。 29 4. 车载 混合储能驱动的研发 有轨电车系统级优化 建模及优化 能量管理策略 容量配置 储能单体的 特性研究 电池 、超级 电容寿命分 析、 SOH优 化 等 系统效率优 化及硬件控 制 系统拓 扑优化 、稳 定性研究、 控制 策略改 进 基于算法 优化的策 略 离线 指导 在线， 实现实时 控制 基于数据 驱动的策 略 数据 分析为主， EMS优化 为辅 容量配置优化 30 4. 车载 混合储能驱动的研发 软件功能 实现各种车载储能系统的容量配置 实现固定容量下能量管理策略效果的验证 容量配置软件 GUI 主界面 能量管理策略验证界面 研究室自主研发 -城轨交通车载容量配置软件