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北交大杨中平:锂电池在轨道交通上的应用

国际新能源网  来源:中国储能网  日期:2019-05-14
   4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日下午的“储能电池与技术应用(下)”专场,北京交通大学教授杨中平在会上分享了主题报告《锂电池在轨道交通上的应用》,以下为演讲实录:

  杨中平:大家下午好!我是北京交通大学的杨中平。本人不是研究电池的,而是是作为一个电池的用户,或者说是研究电池的应用的。因为近年储能在我们轨道交通行业是非常热门的话题,也是我们研究的一个重要的技术方向,所以今天我想跟电池界的同行们介绍一下我们轨道交通是怎么来看待储能元件的?或者说我们用这个储能元件做些什么?我想跟大家分享一下这方面的情况。

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  大家知道,储能元件在各行各业都已经有应用了,今天我重点围绕轨道交通给大家介绍一下相关情况。

  首先我想用几个具体的例子跟大家介绍一下,这个是日本动武线上用的钛酸锂电池,由于这两个变电站之间距离比较长,所以早晚高峰的时候,线路中间的电压跌落就比较厉害,于是日本就导入了钛酸锂电池,目的是干什么?大家看蓝色的线,导入之前接触网电压的波动是比较大的,我们导入之后的接触网电压波动明显减少了,对我们列车运行性能稳定是非常好的事情。

  刚才王老师也讲到日本地震非常多,我在日本生活过13年,经常体会地震。发生地震之后,在日本无论是新干线还是城轨地铁,首先就是把牵引供电切断,电源切断后最好能把乘客运送到就近车站,所以日本在东京地铁的千代田线导入了钛酸锂电池,用于列车实施紧急救援,速度可以跑到15km/h,把乘客运送到就近的车站。

  这是我们国内的例子,南京的河西线,现代有轨电车上装了三元电池,取消了常规的接触网,到车站充电。

  这是超级电容在德国的的曼哈姆有轨电车上的应用,车顶上装了功率300千瓦的超级电容,目的是用于再生能量回收以及补偿接触电压的跌落。

  这个也是日本的例子,车载电池的应用。日本虽然铁路非常发达,但也有很多非电气化区间,所以它想实现交流电气化区间和非电气化区间的直通运行,于是在车载装了360千瓦的锂离子电池,2017年投入了运行。

  另外一个超级电容的例子,是我研究室、中车四方车辆研究所北京地铁以及北京城建设计院等一起研发的,应用在北京地铁八通线上,超级电容功率为1兆瓦的,每天可以节能1300kWh左右。

  这个是最近我们跟盾石飞轮公司在北京地铁房山线研发的飞轮储能装置,用于再生制动能量的吸收和利用,两周之前我们在北京地铁房山线上的实验成功了。

  这张表是电池、超级电容在轨道交通上的应用实例。总而言之,电池在轨道交通应用在日本是应用非常多的,也问了一下日本专家为什么电池用的多?用电容用的比较少?日本的回答很简单,说电池比较便宜。当然,客观地讲,目前电池还是比较贵的。除日本外,电池在韩国、意大利也有应用。超级电容也有很多应用的。

  我们轨道交通对钛酸锂电池或者储能元件充满了什么期待呢?总体两看,钛酸锂电池无论从功率密度还是能量密度,从我们轨道交通上需要大功率储能的话,目前来看是比较理想的元件,所以轨道交通对钛酸锂电池相对比较钟情就是这个原因。

  大家知道钛酸锂电池寿命长,这是东芝钛酸锂实际循环寿命测试曲线,1.4万次试验后容量保持依然很好,内阻也没有什么变化,我们轨道交通希望电池寿命在8年或者10年以上。关于安全性,上午有位专家已经介绍了,时间关系不说了。

  钛酸锂电池假设导入我们轨道交通,根据电池设置的位置的不同能产生多种组合,这对我们轨道交通技术是很大的推进。具体来讲,一种是我们把储能装置放在变电所里面,或者放在变电所之间。还有一种可以放在车上。这样就产生1、2、3、4、5、6、7种组合。

  总而言之,因为有了储能技术的进行,实际上变相推动了我们轨道交通的技术进步,带来哪些好处呢?有一些是大家容易理解的,如再生制动能量的吸收和再利用,这是我们非常看中的;抑制接触网电动波动;备用电源、紧急牵引;电机驱动电源;辅助电源;替代变电所;可以改进列车再生制动特性。

  目前我们有一些车上还装着车载电阻,再生能量通过车载电阻吸收它,一旦有了储能装置之后就可以取代车载制动电阻,同时可以把列车自动再生性进行很好的改善,我们要感谢储能装置给我们技术带来的巨大进步。

  接下来我想介绍一下我们正在研发的两项工作,一个是地面式混合储能系统的研发。刚才讲到我们开发成功兆瓦级的超级电容储能装置,但是因为超级电容的能量密度较低,而3动3拖的城轨列车一次7级制动能量就能够达到15千瓦时左右,而我们1兆瓦的超级电容储能装置能存储的能量才只有7.2千瓦时左右,无法完全吸收列车制动能量,所以我们希望有更大的能量密度的元件导入进来。此外,虽然我们中国地震不像日本那么多,但是也有可能出现需要紧急救援的时候。

  基于这两个考虑,我们承担了国家“十三五”重点计划,用超级电容加上钛酸锂电池的混合储能方式来吸收再生制动能量,装置我们正在研发当中,今年年底我们将在北京地铁上开展相关试验。

  我们主要研究三个课题,一个是储能装置设计本身,包括超级电容和钛酸锂的容量应该如何配置?第二个是能量管制策略;第三个紧急牵引时的协调控制问题。

  关于控制策略,我们现在也非常在意,你这个储能元件在我们使用过程当中内阻、容量本身是一个什么样的变化,对能量的吸收和释放有什么影响?所以我们这个控制策略必须要把这些变化纳入到我们的能量管理策略来中。

  举个例子,这是1兆瓦的超级电容装置在实际运行中一个发车间隔周期中电流的变化曲线,基于此,我们在研究室对超级电容单体随着循环次数增多之后电容值如何变化进行了测试,并据此变化纳入我们的能量管理控制策略当中。

  因时间关系我这里介绍一下我们现在正在研发的能量管理策略。之前我们非常看中单一的储能装置的控制策略到底是怎么样的,我们在北京地铁上非常成功的开发出来了自适应的控制策略,后来我们发现,应该把整个系统纳入考虑,也就是说储能装置之间应该协调控制。我们研究的对象本身是个多储能装置、多变电所组成的能源耦合系统,我们现在想到能否用到人工智能的算法、也就是用多代理的深度学习方法进行储能装置之间的协调控制。我们把每个储能装置都当成一个智能代理,然后基于完全合作的马尔科夫的弈模型,让它们协调控制起来。

  时间关系我给大家介绍一下我们基于直接耦合网络的全线多个超级电容的分布式协调控制方法的控制结果。我们以北京地铁八通线为研究对象,选了四个车站和两个变电站,列车发车间隔是300秒,也就是5分钟发车间隔的时候,我们对储能装置能量智能控制的时候,是什么样的效果给大家展示一下。

  左边就是我们采用充放电固定阈值的时候,我们看见一个储能装置已经充满了、一个还没动作,我们经过协调控制之后两个可以同时充电,因次能够将再生能量分配得非常好。再一个例子,这是一个上行列车,处于牵引状态,下行的两列列车都处于制动状态,这时候出现什么情况呢?这个储能装置在充电,因为这两个距离制动列车比较近,另外一个储能装置给处于牵引状态的列车进行了供电。我们进行了协调控制之后会出现什么情况呢?这两个储能装置都待机了,两列制动列车的再生能量直接给牵引列车提供牵引能量就可以了。这是我们希望出现的状况,实际上列车之间交换能量是最理想的。

  假设我们的列车在CD区间,让它处于制动的时候,这个时候大家看,这个储能装置充电电流比较小,由于它们两个吸收的再生能量有限,出现什么情况呢?我们车上有车载电阻,多余的再生能量谁吸收呢?只能靠我们车载电阻吸收了。这个时候如果我们用协调控制,控制出来的结果是什么样呢?再生制动能量靠这两个储能装置,再加上牵引装置的列车就可以把它吸收掉了,目的就是车上的制动电阻是不启动的,它不来吸收任何再生制动能量。这是我们计算出来的结果,采用新的方法之后,车载电阻消耗的能量就会越来越少。

  最后按照我们从再生能量的回馈率、线路传输效率、节能率来看智能协调控制方法的效果。总而言之采用智能协调控制方法后,是能够成功的解决储能装置之间储能能量分配不均衡或者列车制动电阻消耗能量的情况,能够比较好的解决它。

  现在我们国家有很多城市都修建了有轨电车,我们能否用车载混合储能装置驱动它,也是我们正在研究的课题。

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  我们对某一条线路的有轨电车运行情况进行了深入分析。这张图想说明的是,针对特定的线路、特定的运行条件、包括充电站的条件、储能系统的限制等等,我们得到这么一个结论,假设站间距离只有800米以下,用纯电容驱动是合适的;如果800—1500米,电池+超级电容是更理想的,如果1500—2500米之间,我们能够把EMS做到非常好的话,混合储能都是可以的,如果超过了2.5公里的话,用有网供电是最佳的选择。

  我们自己开发了这么一套软件,用户提出要求来,用电池好、电容好、混合起来好,它的效果是怎么样的,我们自主开发的这一套软件可对此进行定量评估。

  举个例子,例如我们针对某一种车型,利用我们的软件进行混合储能配置后,发现混合储能重量比原来可以减少24.2%。

  关于有轨电车运用的时候很关键的一个问题是,假设用了电池、电容混合的话,运行中电池和电容功率到底应怎么分配,如果你按照固定比例的话显然不是最佳的状况,我们做了什么工作呢?我们就针对一条具体的线路,因为每一条线路可以分成若干种运行工况,我们把工况用大数据的方法给它整理出来,之后再用一种智能的算法,让它运行过程当中根据不同的工况进行电池和电容功率的分类。

  举个例子,例如这是我们状态预测与实际运行数据的对比,两者吻合得是比较好的。这是我们研发的自适应策略、理想策略的结果对比,所谓理想策略就是整个线路和车辆运行状况都完全知道用动态规划方法计算出来的结果。与原来的在线策略固定比例值分配来比,我们自适应策略无论在电池寿命、系统损耗等等,都能够得到比较好的结果。理想策略,结果当然是最好的,但是运算时间太长了,所以基本上不能达到实用化的程度,自适应算法用0.13秒就可以算出来,这样我们就能够朝着实用化的方向去推进它。

  实际我们轨道交通界非常感谢储能界给我们提供的技术支持,现在电池、电容、飞轮都得到日益广泛的应用。我们轨道交通界应该认真审视电池、电容储能技术对我们牵引供电、列车牵引系统带来新的影响,促使我们的技术更加往前推进。希望我们轨道交通界与储能界有更多的交流。谢谢大家!
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