2022钛酸锂电池在轨道交通中的应用研究

钛酸锂电池在轨道交通中的应用研究主要内容2储能技术在轨道交通中的应用现状轨道交通对钛酸锂电池的期待地面式混合储能系统的研发车载式混合储能驱动系统的研发结束语1.

储能技术在轨道交通中的应用现状3储能器件超级电容燃料电池飞轮系统船舶动力轨道交通微网系统动力电池其他工业应用电动汽车34Noda

SS Unga

Station Toyoshiki

SSAtago

StationNoda-shi

StationUmesato

StationUnga

StationEdogawadai

StationHatsuishi

StationNagareyamaootakanomori

StationToyoshiki

StationKashiwa

Station4.13km 7.52kmNoda

SS Battery

Post Toyoshiki

SS180017001600150014001300120011001000TESSOFFTESSOFFTESSOFFTESSONTESSONTESSON18:00–

19:0019:00–

20:0020:00–

21:001774V1609V1709V1613V1729V1644V1154V1215V1058V1198V1196V1115VFeeding

Voltage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TESS500kW-194kWhTrain10-car15km/hAirConditioner:ON东京千代田线电池储能系统的列车救援试验51.

储能技术在轨道交通中的应用现状南京河西线，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6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71.

储能技术在轨道交通中的应用现状日本，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81.

储能技术在轨道交通中的应用现状1.

储能技术在轨道交通中的应用现状AnodeCathodecabinet

cabinetControlcabinetConvertercabinetEDLCcabinetElectrical

parametersParametersValuesConnection14S10PTotal

Capacitance117.8

FRated

voltage672

VRated

current1500APower1

MWTotalinternal

resistance8.82

mΩTotalstored

energy7.4

kWh9八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技术参数功率等级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）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储能元件的能量密度、功率密度20018016014012010080604020三元NMC钴酸锂电池钛酸锂电池镍氢电池功率密度

W/kg能量密度

Wh/kg三元NCA2

镍镉电池1铅酸电池345678910磷酸铁锂电池111：铅酸电池2：镍铬电池5：ATL18650E

NMC电池6：E-one

Moli

IHR18650B电池3：英特曼IFR18650

LFP电池 7：松下

NCR18650

NCA电池4：Boston

PowerSonata4400

LCO电池

8：镍氢电池9：A123

APR18650M1

LFP电池10：东芝scib能量型LTO电池11：东芝scib功率型LTO电池12：maxwell

3000F

超级电容样本点超级电容飞轮12122.

轨道交通对钛酸锂电池的期待2.

轨道交通对钛酸锂电池的期待20Ah

SCiB寿命特性曲线13142.

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152.

轨道交通对钛酸锂电池的期待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16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173.

地面式混合储能系统的研发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合作单位183.

地面式混合储能系统的研发电池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193.

地面式混合储能系统的研发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203.

地面式混合储能系统的研发Up-lineDown-lineRailRailBrakingresistorBraking

trainTraction

train~-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能源优化调度与智能管理基于MADRL的协调控制213.

地面式混合储能系统的研发仿真参数3.

地面式混合储能系统的研发22固定阈值储能系统运行曲线：050100200250300400450500550600650700Voltageof

ESSs(V)050100200250300-2000-1000010002000Currentsof

ESSs(V)Isc1Isc2050100200250300400450500550600650700Voltageof

ESSs(V)050100200250300-2000-1000010002000Currentsof

ESSs(V)Isc1 Isc2150Time(s)(a)150Time(s)(b)150Time(s)(c)150Time(s)(d)协调控制Usc1 Usc2SC2满充SC2充电Usc1 Usc2同时充电SC1充电233.

地面式混合储能系统的研发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24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列车在CD区间制动协调控制根据列车-ESS之间的距离调整阈值，避免制动电阻启动253.

地面式混合储能系统的研发车载制动电阻电流系统能耗曲线系统能耗曲线0100300200Time(s)0100200300400Ibroftrain

up1(A)fixed-thresholdVDN0100300200Time(s)0200400600800Ibroftrain

up2(A)10020030000500100015002000Ibroftrain

down1(A)100200300-10-0.500.51Ibroftrain

down2(A)BR电流减小050100250300150 200Time(s)02468Ebr(kWh)fixed-thresholdVDN50100150 200250300Time(s)Time(s)Time(s)00204060Esub(kWh)3.

地面式混合储能系统的研发26Esub

Eess1,disEess1,chEregbress2,disEEess2,ch56.71

(2)56.11

(4)10.25(2)

E10.54

(4)

loss17.16

(2)19.07

(4)19.90

(2)23.01

(4)72.225.31(2)

E2.33

(4)Etra108.414.70

(2)14.19

(4)16.94

(2)15.55

(4)Units:

kWh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制动能量馈网率:2796.77 89.84 36.89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4.

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。284.

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，基于数据驱动的策略：数据分析为主，实现实时 EMS优化控制 为辅容量配置优化294.

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304.

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)3参数锂电容*2电池*2电压/V500~900324~486能量/kWh3.1724.8重量/kg60084031基于优化的在线EMS下进行容量配置系统总重量2.88t（含DC/DC），与原系统相比减重0.92t，减少24.2%。4.

车载混合储能驱动的研发工况辨识x1h1y1

hj......y

mh2......wij

wjk

x2......xnx1h1h2hj......y

m......

wij

wjk

y1

x2......xnx11h1

hj......y

mh2......

wij

wjk

yx2......xn

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vaTypeof

conditionconstrains

v

a

x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？Typeof

Condition

Time(s)Real

ConditionPredicted

condition结