杨中平-钛酸锂电池在轨道交通中的应用研究（公开版）.pdf-solarbe文库

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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