董建峰 刘英 陈超 郝博
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266071
摘要：基于功率之间的关系理论和电力供应网络,分析制动能源发电的特点和限制城市轨道交通车辆,这样提出了一种基于车辆制动能量的回收方法网络,并且通过制动能量的回收进行了实验研究的实验系统。目前，国内外轨道交通在节能技术中主要集中在如何回收再利用制动能量或者利用各种的储能设备(飞轮、超级电容器、液压装置等)将制动的能量储存起来再利用等方面。结果则表明了，该系统能有效地恢复了城市轨道车辆之中的制动能量。
关键词：城市轨道车辆；制动能量；回收方法
前言
据统计，地铁再生制动所产生的能量除了有一定的比例(一般就是20-80%)被邻近的列车吸收利用之外，其余主要以热的形式被列车的吸收阻力所消耗，不仅浪费了大量的能量。提高城市轨道车辆在电力牵引之中的能效也是近几年以来研究机构与一些国家的主要目标。由于在运行的过程之中城市轨道车辆制动与启动过程比较频繁，制动的能量相当大。
1 基于动力学关系的车辆制动能量特性
不考虑侧向力与垂直力对于电机制动力矩波动的影响，整车在制动过程当中的动力学模型可以表示为：
式中:Fbr———车辆总的制动力;
Fe－br———电制动力;
Fair－br———电制动力不足时补充的机械制动力;
Fresis———车辆运行阻力;
M———车辆编组的总质量;
γ———车辆回转质量系数;
v———车辆运行速度;
nm———车辆提供动力的动轴数量;
Gr———齿轮箱传动比;
Rw———车轮半径;
ηg———齿轮传动系的效率;
ηm———电机的效率;
Teb———制动的过程当中单台电机所提供的电磁转矩;
A、B、C———与车辆的类型中有关的经验常数;
Fadd(x)———是线路总的附加阻力，也是车辆在发车之后
自起始的站点行驶的里程x的分段函数;g———就是重力的加速度。
牵引电机所需提供的制动转矩除与车辆运行的特性有关之外，此时，与制动的模式相关。在常规的制动过程当中，若v≥vinv，且Febmax≥Freq，则Fe－braking=Freq，Fair－braking=0;若v≥vinv，且Febmax＜Freq，则Fe－braking=Febmax，Fair－breaking=Freq－Fe－braking;若v＜vinv，则Feb=0，Fair－breaking=Freq;在紧急制动过程中，Fe－braking=0，Freq=Fair－breaking。
Vinv 是空气制动干预速度，Febmax是最大的电气制动力，Freq是电子制动控制单元EBCU总制动力计算根据目前的车辆运行状况。实际上，在非紧急制动情况下，当速度大于空气制动干预点时，电制动功率通常能够满足总制动功率的需求。制动系统供应商正在技术上努力提高电气制动能力。尽可能降低空气制动干预的vinv值。
当牵引电动机当中的感应电势要高于并网的电压的时候，电动机将处于了发电工作的状态，逆变器的功率流向了与牵引工作状态的功率流向相反。牵引控制单元在实时控制电机所产生的制动电磁转矩。这样可以根据电动机与逆变器的电气特性所获得反馈的功率:
P=3UIcosθ·ηm·ηrec，
式中:U———电机相电压;
I———电机相电流;
cosθ———电机功率因数;
ηrec———逆变整流桥的功率转换的效率。
由于车辆的动能转换而来是电机的电能，在反馈的电能中再生制动也可以直接由动力的关系式而求得:
式中：Eeb———在电制动的过程当中牵引电机反馈的电能;
v0、vt———在电制动的过程之中的计算始末的速度。
根据公式(3)，车辆产生的总制动能量主要取决于车辆的乘客负荷、重量与制动减速度，制动能量的产生受制动方式的影响。
2 制动能量回收方法
2.1 实验系统
本文则采用了一种基于车辆所分离网络的制动能量回收系统。超级的电容器作为了一种储能的装置，可以回收部分不能返回电网的能量，用于动力车辅助电路的能量供应。方程式(4)中的部分Paux。回收法示意图（如图1）。
图1 制动能量回收方法原理
采用与西门子牵引系统相对应的实验系统对上海地铁2号线的6列列车进行了仿真研究。16台牵引电机(每台190kw)，包括4辆动力车和2辆拖车。实验室采用30kW交流异步电动机低功耗模拟地铁的实际牵引情况。将整车视为单个质点运动时，将整车的牵引力矩、惯性和运行阻力均匀分布到各牵引电机上，将19:3的比值降低。超级电容器组由几个单容量2400f的双电层电容器(EDLC:电耦合器)串联并联组成。能量的存储单元也提供了双向的干式接点信号,旁路开关,下干式接点信号对应的启动电双层电容器的工作状态,和干式接点信号对应于截止状态的电双层电容器。电压对应的下干接触信号可在一定范围内调节。
2.2 实验结果与分析
制动55秒后启动，能量立刻增加。能量的增加与负载有关。在轻负荷条件下，由于负荷较小，能量的附加值相对较小。过载工况负荷大，能量附加值也大。能量波形有两个不同的能量上升拐点，代表两个不同的制动过程。第一阶段制动较明显，第二阶段制动较弱。在测试中，电气制动的总能量和超级电容器在三种工作条件下的储能量见表1。
表1 各种工况下能量的回收效率
3 结束语
在分析城市轨道车辆在制动能量特性的基础之上，设计了一种基于车辆储能的离网能量回收实验系统。实验的结果则表明出，该系统能有效地回收城市轨道车辆当中的制动能量，回收的效率也高达83.47。然而，超级电容器的电流转换技术、储能与均压的技术以及如何提高了大功率条件之下能量回收系统的工作效率，也就是目前亟待解决的关键技术。
参考文献：
［1］许爱国．城市轨道交通再生制动能量利用技术研究［D］．南京:南京航空航天大学，2009．
［2］杨俭，李发扬，宋瑞刚，等．城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展［J］．铁道学报，2011，33(2):26－3