中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4月24-26日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的第九屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日下午的“儲(chǔ)能電池與技術(shù)應(yīng)用（下）”專場(chǎng)，北京交通大學(xué)教授楊中平在會(huì)上分享了主題報(bào)告《鋰電池在軌道交通上的應(yīng)用》，以下為演講實(shí)錄：
楊中平：大家下午好！我是北京交通大學(xué)的楊中平。本人不是研究電池的,而是是作為一個(gè)電池的用戶，或者說(shuō)是研究電池的應(yīng)用的。因?yàn)榻陜?chǔ)能在我們軌道交通行業(yè)是非常熱門的話題，也是我們研究的一個(gè)重要的技術(shù)方向，所以今天我想跟電池界的同行們介紹一下我們軌道交通是怎么來(lái)看待儲(chǔ)能元件的？或者說(shuō)我們用這個(gè)儲(chǔ)能元件做些什么？我想跟大家分享一下這方面的情況。
大家知道，儲(chǔ)能元件在各行各業(yè)都已經(jīng)有應(yīng)用了，今天我重點(diǎn)圍繞軌道交通給大家介紹一下相關(guān)情況。
首先我想用幾個(gè)具體的例子跟大家介紹一下，這個(gè)是日本動(dòng)武線上用的鈦酸鋰電池，由于這兩個(gè)變電站之間距離比較長(zhǎng)，所以早晚高峰的時(shí)候，線路中間的電壓跌落就比較厲害，于是日本就導(dǎo)入了鈦酸鋰電池，目的是干什么？大家看藍(lán)色的線，導(dǎo)入之前接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)是比較大的，我們導(dǎo)入之后的接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯減少了，對(duì)我們列車運(yùn)行性能穩(wěn)定是非常好的事情。
剛才王老師也講到日本地震非常多，我在日本生活過(guò)13年，經(jīng)常體會(huì)地震。發(fā)生地震之后，在日本無(wú)論是新干線還是城軌地鐵，首先就是把牽引供電切斷，電源切斷后最好能把乘客運(yùn)送到就近車站，所以日本在東京地鐵的千代田線導(dǎo)入了鈦酸鋰電池，用于列車實(shí)施緊急救援，速度可以跑到15km/h，把乘客運(yùn)送到就近的車站。
這是我們國(guó)內(nèi)的例子，南京的河西線，現(xiàn)代有軌電車上裝了三元電池，取消了常規(guī)的接觸網(wǎng)，到車站充電。
這是超級(jí)電容在德國(guó)的的曼哈姆有軌電車上的應(yīng)用，車頂上裝了功率300千瓦的超級(jí)電容，目的是用于再生能量回收以及補(bǔ)償接觸電壓的跌落。
這個(gè)也是日本的例子，車載電池的應(yīng)用。日本雖然鐵路非常發(fā)達(dá)，但也有很多非電氣化區(qū)間，所以它想實(shí)現(xiàn)交流電氣化區(qū)間和非電氣化區(qū)間的直通運(yùn)行，于是在車載裝了360千瓦的鋰離子電池，2017年投入了運(yùn)行。
另外一個(gè)超級(jí)電容的例子，是我研究室、中車四方車輛研究所北京地鐵以及北京城建設(shè)計(jì)院等一起研發(fā)的，應(yīng)用在北京地鐵八通線上，超級(jí)電容功率為1兆瓦的，每天可以節(jié)能1300kWh左右。
這個(gè)是最近我們跟盾石飛輪公司在北京地鐵房山線研發(fā)的飛輪儲(chǔ)能裝置，用于再生制動(dòng)能量的吸收和利用，兩周之前我們?cè)诒本┑罔F房山線上的實(shí)驗(yàn)成功了。
這張表是電池、超級(jí)電容在軌道交通上的應(yīng)用實(shí)例?？偠灾?，電池在軌道交通應(yīng)用在日本是應(yīng)用非常多的，也問(wèn)了一下日本專家為什么電池用的多？用電容用的比較少？日本的回答很簡(jiǎn)單，說(shuō)電池比較便宜。當(dāng)然，客觀地講，目前電池還是比較貴的。除日本外，電池在韓國(guó)、意大利也有應(yīng)用。超級(jí)電容也有很多應(yīng)用的。
我們軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池或者儲(chǔ)能元件充滿了什么期待呢？總體兩看，鈦酸鋰電池?zé)o論從功率密度還是能量密度，從我們軌道交通上需要大功率儲(chǔ)能的話，目前來(lái)看是比較理想的元件，所以軌道交通對(duì)鈦酸鋰電池相對(duì)比較鐘情就是這個(gè)原因。
大家知道鈦酸鋰電池壽命長(zhǎng)，這是東芝鈦酸鋰實(shí)際循環(huán)壽命測(cè)試曲線，1.4萬(wàn)次試驗(yàn)后容量保持依然很好，內(nèi)阻也沒有什么變化，我們軌道交通希望電池壽命在8年或者10年以上。關(guān)于安全性，上午有位專家已經(jīng)介紹了，時(shí)間關(guān)系不說(shuō)了。
鈦酸鋰電池假設(shè)導(dǎo)入我們軌道交通，根據(jù)電池設(shè)置的位置的不同能產(chǎn)生多種組合，這對(duì)我們軌道交通技術(shù)是很大的推進(jìn)。具體來(lái)講，一種是我們把儲(chǔ)能裝置放在變電所里面，或者放在變電所之間。還有一種可以放在車上。這樣就產(chǎn)生1、2、3、4、5、6、7種組合。
總而言之，因?yàn)橛辛藘?chǔ)能技術(shù)的進(jìn)行，實(shí)際上變相推動(dòng)了我們軌道交通的技術(shù)進(jìn)步，帶來(lái)哪些好處呢？有一些是大家容易理解的，如再生制動(dòng)能量的吸收和再利用，這是我們非常看中的；抑制接觸網(wǎng)電動(dòng)波動(dòng)；備用電源、緊急牽引；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源；輔助電源；替代變電所；可以改進(jìn)列車再生制動(dòng)特性。
目前我們有一些車上還裝著車載電阻，再生能量通過(guò)車載電阻吸收它，一旦有了儲(chǔ)能裝置之后就可以取代車載制動(dòng)電阻，同時(shí)可以把列車自動(dòng)再生性進(jìn)行很好的改善，我們要感謝儲(chǔ)能裝置給我們技術(shù)帶來(lái)的巨大進(jìn)步。
接下來(lái)我想介紹一下我們正在研發(fā)的兩項(xiàng)工作，一個(gè)是地面式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)。剛才講到我們開發(fā)成功兆瓦級(jí)的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，但是因?yàn)槌?jí)電容的能量密度較低，而3動(dòng)3拖的城軌列車一次7級(jí)制動(dòng)能量就能夠達(dá)到15千瓦時(shí)左右，而我們1兆瓦的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置能存儲(chǔ)的能量才只有7.2千瓦時(shí)左右，無(wú)法完全吸收列車制動(dòng)能量，所以我們希望有更大的能量密度的元件導(dǎo)入進(jìn)來(lái)。此外，雖然我們中國(guó)地震不像日本那么多，但是也有可能出現(xiàn)需要緊急救援的時(shí)候。
基于這兩個(gè)考慮，我們承擔(dān)了國(guó)家“十三五”重點(diǎn)計(jì)劃，用超級(jí)電容加上鈦酸鋰電池的混合儲(chǔ)能方式來(lái)吸收再生制動(dòng)能量，裝置我們正在研發(fā)當(dāng)中，今年年底我們將在北京地鐵上開展相關(guān)試驗(yàn)。
我們主要研究三個(gè)課題，一個(gè)是儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)本身，包括超級(jí)電容和鈦酸鋰的容量應(yīng)該如何配置？第二個(gè)是能量管制策略；第三個(gè)緊急牽引時(shí)的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。
關(guān)于控制策略，我們現(xiàn)在也非常在意，你這個(gè)儲(chǔ)能元件在我們使用過(guò)程當(dāng)中內(nèi)阻、容量本身是一個(gè)什么樣的變化，對(duì)能量的吸收和釋放有什么影響？所以我們這個(gè)控制策略必須要把這些變化納入到我們的能量管理策略來(lái)中。
舉個(gè)例子，這是1兆瓦的超級(jí)電容裝置在實(shí)際運(yùn)行中一個(gè)發(fā)車間隔周期中電流的變化曲線，基于此，我們?cè)谘芯渴覍?duì)超級(jí)電容單體隨著循環(huán)次數(shù)增多之后電容值如何變化進(jìn)行了測(cè)試，并據(jù)此變化納入我們的能量管理控制策略當(dāng)中。
因時(shí)間關(guān)系我這里介紹一下我們現(xiàn)在正在研發(fā)的能量管理策略。之前我們非?？粗袉我坏膬?chǔ)能裝置的控制策略到底是怎么樣的，我們?cè)诒本┑罔F上非常成功的開發(fā)出來(lái)了自適應(yīng)的控制策略，后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該把整個(gè)系統(tǒng)納入考慮，也就是說(shuō)儲(chǔ)能裝置之間應(yīng)該協(xié)調(diào)控制。我們研究的對(duì)象本身是個(gè)多儲(chǔ)能裝置、多變電所組成的能源耦合系統(tǒng)，我們現(xiàn)在想到能否用到人工智能的算法、也就是用多代理的深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行儲(chǔ)能裝置之間的協(xié)調(diào)控制。我們把每個(gè)儲(chǔ)能裝置都當(dāng)成一個(gè)智能代理，然后基于完全合作的馬爾科夫的弈模型，讓它們協(xié)調(diào)控制起來(lái)。
時(shí)間關(guān)系我給大家介紹一下我們基于直接耦合網(wǎng)絡(luò)的全線多個(gè)超級(jí)電容的分布式協(xié)調(diào)控制方法的控制結(jié)果。我們以北京地鐵八通線為研究對(duì)象，選了四個(gè)車站和兩個(gè)變電站，列車發(fā)車間隔是300秒，也就是5分鐘發(fā)車間隔的時(shí)候，我們對(duì)儲(chǔ)能裝置能量智能控制的時(shí)候,是什么樣的效果給大家展示一下。
左邊就是我們采用充放電固定閾值的時(shí)候，我們看見一個(gè)儲(chǔ)能裝置已經(jīng)充滿了、一個(gè)還沒動(dòng)作，我們經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)控制之后兩個(gè)可以同時(shí)充電，因次能夠?qū)⒃偕芰糠峙涞梅浅：谩Ｔ僖粋€(gè)例子，這是一個(gè)上行列車，處于牽引狀態(tài)，下行的兩列列車都處于制動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)候出現(xiàn)什么情況呢？這個(gè)儲(chǔ)能裝置在充電，因?yàn)檫@兩個(gè)距離制動(dòng)列車比較近，另外一個(gè)儲(chǔ)能裝置給處于牽引狀態(tài)的列車進(jìn)行了供電。我們進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制之后會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？這兩個(gè)儲(chǔ)能裝置都待機(jī)了，兩列制動(dòng)列車的再生能量直接給牽引列車提供牽引能量就可以了。這是我們希望出現(xiàn)的狀況，實(shí)際上列車之間交換能量是最理想的。
假設(shè)我們的列車在CD區(qū)間，讓它處于制動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候大家看，這個(gè)儲(chǔ)能裝置充電電流比較小，由于它們兩個(gè)吸收的再生能量有限，出現(xiàn)什么情況呢？我們車上有車載電阻，多余的再生能量誰(shuí)吸收呢？只能靠我們車載電阻吸收了。這個(gè)時(shí)候如果我們用協(xié)調(diào)控制，控制出來(lái)的結(jié)果是什么樣呢？再生制動(dòng)能量靠這兩個(gè)儲(chǔ)能裝置，再加上牽引裝置的列車就可以把它吸收掉了，目的就是車上的制動(dòng)電阻是不啟動(dòng)的，它不來(lái)吸收任何再生制動(dòng)能量。這是我們計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，采用新的方法之后，車載電阻消耗的能量就會(huì)越來(lái)越少。
最后按照我們從再生能量的回饋率、線路傳輸效率、節(jié)能率來(lái)看智能協(xié)調(diào)控制方法的效果?？偠灾捎弥悄軈f(xié)調(diào)控制方法后，是能夠成功的解決儲(chǔ)能裝置之間儲(chǔ)能能量分配不均衡或者列車制動(dòng)電阻消耗能量的情況，能夠比較好的解決它。
現(xiàn)在我們國(guó)家有很多城市都修建了有軌電車，我們能否用車載混合儲(chǔ)能裝置驅(qū)動(dòng)它，也是我們正在研究的課題。
我們對(duì)某一條線路的有軌電車運(yùn)行情況進(jìn)行了深入分析。這張圖想說(shuō)明的是，針對(duì)特定的線路、特定的運(yùn)行條件、包括充電站的條件、儲(chǔ)能系統(tǒng)的限制等等，我們得到這么一個(gè)結(jié)論，假設(shè)站間距離只有800米以下，用純電容驅(qū)動(dòng)是合適的；如果800—1500米，電池+超級(jí)電容是更理想的，如果1500—2500米之間，我們能夠把EMS做到非常好的話，混合儲(chǔ)能都是可以的，如果超過(guò)了2.5公里的話，用有網(wǎng)供電是最佳的選擇。
我們自己開發(fā)了這么一套軟件，用戶提出要求來(lái)，用電池好、電容好、混合起來(lái)好，它的效果是怎么樣的，我們自主開發(fā)的這一套軟件可對(duì)此進(jìn)行定量評(píng)估。
舉個(gè)例子，例如我們針對(duì)某一種車型，利用我們的軟件進(jìn)行混合儲(chǔ)能配置后，發(fā)現(xiàn)混合儲(chǔ)能重量比原來(lái)可以減少24.2%。
關(guān)于有軌電車運(yùn)用的時(shí)候很關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題是，假設(shè)用了電池、電容混合的話，運(yùn)行中電池和電容功率到底應(yīng)怎么分配，如果你按照固定比例的話顯然不是最佳的狀況，我們做了什么工作呢？我們就針對(duì)一條具體的線路，因?yàn)槊恳粭l線路可以分成若干種運(yùn)行工況，我們把工況用大數(shù)據(jù)的方法給它整理出來(lái)，之后再用一種智能的算法，讓它運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中根據(jù)不同的工況進(jìn)行電池和電容功率的分類。
舉個(gè)例子，例如這是我們狀態(tài)預(yù)測(cè)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，兩者吻合得是比較好的。這是我們研發(fā)的自適應(yīng)策略、理想策略的結(jié)果對(duì)比，所謂理想策略就是整個(gè)線路和車輛運(yùn)行狀況都完全知道用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。與原來(lái)的在線策略固定比例值分配來(lái)比，我們自適應(yīng)策略無(wú)論在電池壽命、系統(tǒng)損耗等等，都能夠得到比較好的結(jié)果。理想策略，結(jié)果當(dāng)然是最好的，但是運(yùn)算時(shí)間太長(zhǎng)了，所以基本上不能達(dá)到實(shí)用化的程度，自適應(yīng)算法用0.13秒就可以算出來(lái)，這樣我們就能夠朝著實(shí)用化的方向去推進(jìn)它。
實(shí)際我們軌道交通界非常感謝儲(chǔ)能界給我們提供的技術(shù)支持，現(xiàn)在電池、電容、飛輪都得到日益廣泛的應(yīng)用。我們軌道交通界應(yīng)該認(rèn)真審視電池、電容儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)我們牽引供電、列車牽引系統(tǒng)帶來(lái)新的影響，促使我們的技術(shù)更加往前推進(jìn)。希望我們軌道交通界與儲(chǔ)能界有更多的交流。謝謝大家！
