王 鑫，孙开意
（1. 中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 063035；
2. 铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）
现代无轨列车作为城市路面新型公共交通制式，与传统的无轨电车及有轨电车相比，具有智能便捷、安全高效、低碳环保等特点。由于运用环境不同，现代无轨列车的牵引性能计算和关键部件参数设计与轨道交通车辆有所差别。现代无轨列车具有频繁启动、加速、制动、停车、爬坡等特殊性，对加速度、快速制动、爬坡能力有很高的要求，而其性能在很大程度上取决于驱动电机等关键部件组成的动力系统。为满足不同工况下的牵引性能和续驶里程等要求，使现代无轨列车的动力性能得到更好地发挥，对驱动电机和动力电池本身性能参数的选择至关重要，本文基于车辆性能需求进行动力系统核心部件架构设计和性能参数计算。
本文研究的现代无轨列车采用3模块编组方式，并通过铰接模块进行车辆连接。动力系统组成框图如图1所示，主要包含动力电池、配电单元（PDU）、动力总成控制模块（PCM）、电机驱动器（MCU）和轮毂电机。动力电池输出的直流电源，经配电单元（PDU）内部预充电电路完成预充电后，通过电机驱动器进行直 -交电源转换来驱动轮毂电机，PCM负责根据列车控制信号对4台电机进行协调控制。
图1 动力系统组成框图
现代无轨列车与现代有轨电车相比较，在结构方面的区别是有轨电车采用钢轮钢轨，其走行部为转向架结构，驱动电机安装在转向架上经过齿轮箱调整后驱动车轮转动，而无轨列车采用橡胶轮结构，可实现轮毂电机直接驱动胶轮转动。现代无轨电车采用动力分散方式，根据动力性能和冗余性要求配置牵引逆变器和牵引电机。
2.1 动力电池
动力电池安装在Tc车顶部，为整车提供电源。现有车辆应用的蓄电池种类包括锂电池、铅酸电池、镍氢电池等。其中，铅酸电池技术成熟，具有成本低廉、安全性高、支持大电流放电等特点，但其能量密度低、循环寿命短的特性无法满足无轨列车续驶里程的需求。镍氢电池和锂电池目前在电动汽车动力电池应用中技术成熟，但镍氢电池也存在单体电压低、自放电损耗大、对环境温度敏感等方面的不足，而锂电池具有能量密度高、充电效率高、循环寿命长等特点，因此在电动车辆领域具有很大的优势。几种常见动力电池的性能参数对比如表1所示，磷酸铁锂电池具有安全环保、成本低等优势，最终选用其作为现代无轨列车的动力电池。
表1 动力电池的性能参数比较
2.2 配电单元
由于铰接模块安装空间有限，将PDU安装在Tc车车顶，PDU内配置2组预充电单元，为电机驱动器进行预充电。配电单元箱内同时配置逆变模块和直流电源转换模块，用于列车动力系统冷却等交流负载供电和控制等直流负载供电。
2.3 动力总成控制模块
PCM安装在中间T车车内，负责所有与传动系统相关的功能，如PDU控制、轮毂电机的转矩控制、制动系统的相互作用、保护和限制、安全隐患的检测和控制、动态限速等；
并且通过列车CAN-J1939通信网络与整车控制器、电池管理系统等其他车辆系统相互关联。PCM可以协调控制2台配电单元和4台驱动控制器，PCM与PDU之间有低压控制接口，可以控制PDU内部的高压接触器，并对接触器的状态和高压供电进行诊断。加速踏板作为PCM的输入，用于调节车轮的驱动转矩和制动转矩。动力总成控制模块PCM的通信与低压连接如图2所示。
图2 PCM通信与低压连接框图
2.4 电机驱动器
MCU是一种高压逆变器，它将动力电池输出的直流电转换为交流电以驱动电机，同时在制动工况下，控制驱动电机进入发电状态，将产生的再生制动能量经逆变器转换成直流电，为动力电池进行充电，增加续驶里程。电机驱动器配备有温度、电压、电流和位置传感器。
为保证车辆具有大的转弯半径，中间铰接模块作为动力车，其车下空间较小，因此将电机驱动器与轮毂电机集成安装。
2.5 轮毂电机
轮毂电机具有传动效率高、控制灵活、结构紧凑等优势。目前轮毂电机的驱动形式有2种，现代无轨列车采用直接驱动方式的轮毂电机，其定子固定在副车架上，转子连接到轮辋上，轮辋连接到轮胎上，无需安装减速机构，这样所有的电机直接驱动车辆没有任何传动损失，簧下重量也有所降低。
永磁同步电机较直流电动机、感应电动机具有效率高、功率密度高、可靠性好的优势。对于内定子外转子式的轮毂电机结构，定子中的损耗所产生的热量难以散发出去，导致轮毂电机的内部温度变高。过高的温度会影响电机性能，电机过热影响电机的使用寿命，同时增加运行故障的风险，因此采用循环水冷的方式实现电机绕组的冷却。
3.1 整车性能要求
现代无轨列车基本参数与性能指标要求如表2和表 3所示。
表2 整车基本参数
表3 性能指标
3.2 驱动电机参数计算
现代无轨列车驱动电机的基本参数主要是根据整车加速性能、爬坡性能、最高车速性能要求来确定，包括峰值功率、额定功率、额定转速、最高转速、额定转矩以及最大转矩。
3.2.1 峰值功率和额定功率计算
列车在最大车速Vmax下直线行驶时所需的最大功率P1通过公式（1）可以求出。
式（1）中，P1为以最高车速行驶消耗的功率，kW；
Vmax为最高车速，km/h；
ηT为传动效率；
m为列车质量，kg；
f为滚动阻力系数；
Cd为风阻系数；
A为车辆迎风面积，m2。
爬坡功率是车辆以恒定速度爬坡时的最大功率，由公式（2）可以求出。
式（2）中，P2为车辆以恒定的速度爬坡时要求的电机峰值功率，kW；
V为爬坡车速，km/h，此处取20 km/h；
ηT为传动效率；
m为列车质量，kg；
f为滚动阻力系数；
Cd为风阻系数；
A为车辆迎风面积，m2；
αmax为最大爬坡，αmax= arctani，i为最大爬坡度。
车辆在加速行驶的过程中，电机在最末的一刻得到最大功率，由公式（3）可以求出。
式（3）中，P3为加速状态下车辆电机的峰值功率，kW；
Va为加速末速度，km/h，此处取50 km/h；
ηT为传动效率；
δ为旋转质量换算系数；
m为列车质量，kg；
f为滚动阻力系数；
Cd为风阻系数；
A为车辆迎风面积，m2。
由式（1）～式（3）可以求出P1= 172.05 kW，P2= 416.40 kW，P3= 384.11 kW。依据车辆动力系统的控制策略，当车辆以最高车速行驶时，电机的最大功率Pmax必须符合车辆功率需求P1，并且满足爬坡、加速状态下的功率P2、P3，即Pmax≥ max{P1，P2，P3}，因此Pmax= 416.40 kW。
现代无轨列车共设置4台轮毂电机，因此每台电机峰值功率应不低于104.10 kW，取110 kW作为驱动电机的峰值功率。按照目前驱动电机特性，额定功率为峰值功率的1/3～1/2，取55 kW。
3.2.2 最高转速计算
驱动电机的最高转速由车辆的最高车速决定，即：
式（4）中，nmax为最高转速，r/min；
umax为最高车速，km/h；
r为车轮滚动半径，m。按照公式（4）计算得到nmax= 411.92 r/min，即驱动电机最高转速不低于411.92 r/min。
3.2.3 最高转矩计算
对于驱动装置的最大驱动力一般发生在车辆最大爬坡工况，同时考虑在爬坡时，没有额外的加速工况，所以驱动电机最高转矩可按照公式（5）进行计算。
计算可得列车在启动爬坡时所需驱动转矩为33 746.32 N · m，对应每台驱动电机最大转矩不低于Tmax= 8 436.58 N · m。
3.2.4 驱动电机参数
根据上述计算结果，结合目前成熟应用产品情况，驱动电机选型的主要参数如表4所示。
表4 驱动电机主要参数
3.3 动力电池参数设计
动力电池参数设计需要考虑电池能量和最大输出功率，确保动力性能与续驶里程。动力电池的匹配与匀速续驶里程要求有关，即电池在额定容量条件下，在良好路面上匀速行驶时能够行驶的距离，续驶里程按照公式（6）进行计算。
式（6）中，W为动力电池总能量，kW · h；
S为续驶里程，km；
v为平均车速，km/h；
Pd为驱动系统功率，kW；
Pa为辅助供电系统功率，kW。
按照表3性能指标要求，以匀速40 km/h行驶续驶里程不低于80 km，按照公式（1）可以计算出驱动系统功率Pd= 86.69 kW，列车最大辅助供电系统功率Pa= 79.52 kW，因此可计算出动力电池总能量为W= 332.41 kW · h，每台动力电池的能量不低于166.21 kW · h。
根据计算的动力电池所需能量以及成熟应用产品情况，蓄电池主要参数如表5所示。
表5 动力电池主要参数
现代无轨列车作为绿色环保的中低运量交通工具，可适应的路权形式更广，具有爬坡能力强、转弯半径小等特点，在当今城市发展中具有广阔的应用前景。本文以三模块无轨列车为例对动力电池、驱动控制器和轮毂电机组成的动力系统进行介绍，依据整车性能指标，重点对动力系统参数匹配计算方面进行了详细说明，根据计算所得参数结果，对无轨列车驱动电机和动力电池进行选型。此方法可为不同模块数量及动力源配置的现代无轨列车提供动力系统选型计算的参考。
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