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西交利物浦大学“再生制动”技术减少列车能量损耗

2019-11-16 18:25:53

西交利物浦大学电气与电子工程系科研团队的研究成果《面向车载储能设备的列车速度轨迹优化问题研究》发表在学术期刊《IEEE智能交通系统汇刊》（IEEE Transactions on Intelligent Transportation System）中。根据国外学术期刊排名，该期刊在交通领域中排名第一。

论文的第一作者伍朝显是西交利物浦大学电气系的博士生。他介绍说，这个项目探索了如何利用储能设备的充放电及规划列车运行来减少未来列车的能耗。将这两者结合是目前交通领域内很前沿的研究方向。

再生制动亦称反馈制动，是一种使用在电动车辆上的制动技术。在制动时把车辆的动能转化及储存起来；而不是变成无用的热。再生制动在制动工况将电动机切换成发电机运转，利用车的惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用，因此这是一个能量回收的过程。

“但其实这种技术目前还存在很大不足。”伍朝显解释说，现在的列车上并没有安装车载储能设备，大部分都是通过大型供电站进行统一供电。因此转化之后的电能会反馈给电网，电网会把这部分电能分配给附近需要用电的车辆。但是如果周围没有列车的话，这部分电能就浪费了。

“如果未来列车上有了车载储能设备，再生制动转化的电能就可以让列车自己‘吸收’，在需要加速的时候释放出来。”这便是该研究回答的其中一个问题：未来列车的车载储能设备怎么充放电。

在涡流制动技术中，制动能量直接变成了热量，这未免有些浪费，所以对于广泛利用电力驱动的新能源车型来说，如果能有一种能回收制动能量的制动方式，就再好不过了，这就是下面要介绍到的再生制动技术。再生制动的基本原理是将车辆驱动电机的工作状态变成一台发电机，然后将车辆减速或者下坡的动能转变成其他能量，在储能装置（电池、大型电容或者飞轮）中储存起来，供车辆行驶之用的方式。

研究想要回答的另一个问题是：列车怎么跑。伍朝显举例说，地铁在两站之间运行的时候，会进行一个“加速-匀速-滑行-减速-停站”的过程。“现在市面上的列车更多是依靠驾驶员的经验。但如果过早减速，列车还没到站就停了，就需要再加速行驶一段，而反复地加速减速会大大增加耗能。”

于是伍朝显和其他团队成员提供了一个算法，这个算法从两方面对未来列车运行进行优化：一方面规定了列车怎么跑，怎么驾驶列车才能节能，具体什么时候开始加速或减速；另一方面规定了车载储能设备怎么充放电。

“我们的算法提供了列车运行速度曲线以及储能设备的充放电规则，不论是有驾驶员还是无人驾驶，只要能按照这个规则来运行列车，有车载储能装置的列车会比没有的列车节能10%。”伍朝显指出，虽然这个研究项目的基础模型是地铁，但是算法可以拓展到其他各种交通工具上。

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