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21.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31.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4NodaSSToyoshikiSSUngaStationAtagoStationNoda-shiStationUmesatoStationUngaStationEdogawadaiStationHatsuishiStationNagareyamaootakanomoriStationToyoshikiStationKashiwaStationNodaSSToyoshikiSS7.52km4.13kmBatteryPost180017001600150014001300120011001000TESSOFFTESSOFFTESSOFFTESSONTESSONTESSON18:00–19:0019:00–20:0020:00–21:001774V1609V1709V1613V1729V1644V1154V1215V1058V1198V1196V1115VFeedingVoltage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5TESS500kW-194kWhTrain10-car15km/hAirConditioner: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，98kWh1.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91.储能技术在轨道交通中的应用现状AnodecabinetCathodecabinetControlcabinetConvertercabinetEDLCcabinetParametersValuesConnection14S10PTotalCapacitance117.8FRatedvoltage672VRatedcurrent1500APower1MWTotalinternalresistance8.82mΩTotalstoredenergy7.4kWhElectricalparameters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、2.0MW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）2001700kW/2.5kWh西班牙马德里地铁（600V）2003700kW/2.5kWh日本西武线（1500V）20072.56MW/6.875kWh韩国大同江变电所20091.865MW/10.4kWh法国里昂有轨电车（750V）2011300-1000kW/1-4kWh1.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20406080100120140160180200三元NMC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NCA12345678910111：铅酸电池2：镍铬电池3：英特曼IFR18650LFP电池4：BostonPowerSonata4400LCO电池5：ATL18650ENMC电池6：E-oneMoliIHR18650B电池7：松下NCR18650NCA电池8：镍氢电池9：A123APR18650M1LFP电池10：东芝scib能量型LTO电池11：东芝scib功率型LTO电池12：maxwell3000F超级电容样本点超级电容飞轮122.轨道交通对钛酸锂电池的期待132.轨道交通对钛酸锂电池的期待20AhSCiB寿命特性曲线142.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1MWEDLC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；BeijingSubwayOperationCo.,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：0~5VARBIN测试仪3.地面式混合储能系统的研发21Up-lineDown-lineRailRailBrakingresistorBrakingtrainTractiontrain~-10kV/35kV~-10kV/35kV~-10kV/35kV750V/1500VDC/DCDC/DCDC/DCESS1ESS2ESSn•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：050100150200250300Time(s)400450500550600650700VoltageofESSs(V)Usc1Usc2050100150200250300Time(s)-2000-1000010002000CurrentsofESSs(V)Isc1Isc2050100150200250300Time(s)400450500550600650700VoltageofESSs(V)Usc1Usc2050100150200250300Time(s)-2000-1000010002000CurrentsofESSs(V)Isc1Isc2(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0100200300Time(s)0100200300400Ibroftrainup1(A)fixed-thresholdVDN0100200300Time(s)0200400600800Ibroftrainup2(A)0100200300Time(s)0500100015002000Ibroftraindown1(A)0100200300Time(s)-1-0.500.51Ibroftraindown2(A)BR电流减小050100150200250300Time(s)02468Ebr(kWh)fixed-thresholdVDN050100150200250300Time(s)0204060Esub(kWh)3.地面式混合储能系统的研发27subElossEess1,disEess1,chEtraEregEbrEess2,disEess2,chE56.71(2)56.11(4)10.25(2)10.54(4)17.16(2)19.07(4)19.90(2)23.01(4)72.225.31(2)2.33(4)108.414.70(2)14.19(4)16.94(2)15.55(4)Units:kWh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89.8436.8996.77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284.车载混合储能驱动的研发281、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。294.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304.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314.车载混合储能驱动的研发容量配置优化案例线路条件参数车辆条件参数全长(km)11.45结构2M1T2F最长充电间距(km)2.108辅助功率(kW)60最长站间能耗(kWh)9.2储能系统重量限制(t)3基于优化的在线EMS下进行容量配置参数锂电容2电池2电压/V500~900324~486能量/kWh3.1724.8重量/kg600840系统总重量2.88t（含DC/DC），与原系统相比减重0.92t，减少24.2%。324.车载混合储能驱动的研发根据运行数据分析其运行特点，辨识工况，预测未来运行状态，通过在线算法优化实现实时控制。工况辨识x1x2xny1ymh1h2hj............wijwjk......x1x2xny1ymh1h2hj............wijwjk......x1x2xny1ymh1h2hj............wijwjk......v(k)a(k)数据收集主成分分析K均值聚类数据处理SVM算法vaTypeofconditionconstrainsvxa状态预测小波神经网络u优化动态规划离线在线有轨电车运行在线.........是否滚动优化过程是否结束？TypeofConditionTime(s)RealConditionPredictedcondition结束自适应策略优化过程基于智能算法的能量管理策略优化334.车载混合储能驱动的研发优化效果—与现有应用策略对比No.kNo.k+1No.k+nConditionidentificationT=l1T=l2x1x2xn......y1ymStatepredictionCongestionconditionHighspeedconditionSmoothconditionjklh1h2hjWNNjkl............wijwjkT=l2T=l2Condition1Condition2Condition3自适应策略优化过程状态预测与实际数据对比参数自适应策略理想策略在线策略电池寿命指标138.7815128.28209.4092系统损耗(kWh)0.370.310.65加权指标0.610.541运算时间(s/步)0.435300--该策略极大地延长了电池寿命、减小了损耗，并实现了实时控制。混合储能系统分配曲线345.结束语电池、电容、飞轮储能技术的进步将在轨道交通中得到日益广泛的应用。轨道交通界应认真审视电池电容储能技术牵引供电及列车牵引系统的设计带来的新的影响。轨道交通界与电池电容行业、电动汽车行业应有更加广泛的技术交流。