如何选配电池让列车运行最省电？西浦学者研究获顶级国际期刊发表

近日，西交利物浦大学智能工程学院科研团队开发出一套算法可直观反映车载储能设备的节电数据，并能给出节能效果最优的容量配置。这项研究成果发表在交通领域的顶级期刊《IEEE交通电气化汇刊》（IEEE Transactions on Transportation Electrification）上。

随着铁路电气化的不断推进，车载储能设备的使用变得越来越普遍，如何为列车选配最佳容量的储能设备以达到最好的节能效果这一问题亟待解决。针对这个问题，该论文提出一套算法，能够为铁路运营部门确定车载储能设备的最佳容量，减少列车运行过程中的能耗。

一直以来，工业界对于储能设备具体能节省的电量和费用并不清楚，该算法则可直观反映这些数据，得出节能效果最佳的电池容量。安装了车载储能设备但没有进行容量优化的列车在使用该算法优化容量后，可以多节省11.6%的耗电量。与无车载储能设备相比，该算法可以为列车运行节省平均23.4%的耗电量。

该项目获得了国家自然科学基金青年科学基金项目与国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心的资助，并与华南理工大学吴贤铭智能工程学院的卢少锋博士紧密合作，研究内容贴近工业界实际需求。

论文的第一作者博士生伍朝显介绍说，这个项目以北京昌平线为例，结合列车运行的实际情况，对目前三种常用的车载储能设备：超级电容、锂电池和飞轮的成本、放电功率、容量及体积进行综合考量，最终得到最适合的储能设备容量，使列车运行的总体能耗最小，以达到节能的目的。

（图片说明： 三种常用的列车车载储能设备：(a)锂电池；(b)超级电容；(c)飞轮。）

他解释道：“三种储能设备有不同的特性，比如超级电容放电功率大，但是占地大且容量小，容易没电；锂电池容量大但放电慢。同时，这些储能设备的体积是否适合车厢大小，价格是否能够接受也是工业界重点考虑的两个因素。而这个算法模型把这些因素整合起来，对三种储能设备进行了分析对比，直接得出了不同储能设备在各种限制条件和因素下的最佳容量以及最佳节能效果。

伍朝显表示，列车的运行路线、运行时间和运行方式一般都是固定的。使用该算法选配储能设备时，不需要改变列车的现有的实际运行方式，只要把这些数据输入模型中，就能得出列车在日常运行方式下配备什么容量的电池可以最小化耗电。

（图片说明：超级电容与飞轮各自的关于体积与投资成本的最佳节能领域，可以看到当投资成本和体积落在绿色区域内，使用飞轮能带来最佳的节能效果，反之，则超级电容表现较佳。通过实验发现锂电池功率低，放电慢，不适合单独当作列车车载储能设备使用。）

（图片说明：上图为博士生伍朝显和他的指导老师薛飞博士。）

伍朝显的指导老师，电气与电子工程系薛飞博士表示：“这三种储能设备在实际生活中都是比较常用的，但是工业界不会进行这么精确的分析，对具体节约了多少电量及费用也并不清楚，使用这种算法就可以让这些数据更为直观。”
“在探索的道路上，我们总是在追求最优的结果。这个算法就能够帮助工业界解决一个最优选择的问题，有望给铁路运营部门在选配列车的储能设备时提供帮助。”薛老师补充道。

从博士入学以来，伍朝显在薛飞博士、华南理工大学卢少锋博士以及利物浦大学蒋林博士的指导下，在智慧交通与交通电气化方向已发表多项研究成果，论文发表于《Transactions on Intelligent Transportation Systems》，《Transactions on Transportation Electrification》以及《IET Renewable Power Generation》等业内主流知名期刊及会议。

指导老师简介：

薛飞 博士
电气与电子工程系副教授

薛飞老师于2009年取得意大利都灵理工大学博士学位。他的研究兴趣集中在电动汽车，生态城市，关键基础设施的安全和能源互联网的网络运行。

薛飞老师团队与华南理工大学、上海交通大学、英国伯明翰大学、英国利物浦大学以及日本上智大学等国内外知名院校保持紧密合作，研究成果涉及轨道交通节能运行控制，智慧轨道交通设施建设与运营以及储能设备在轨道交通系统中的应用等诸多研究热点。

此外，薛飞老师团队于近期与上海交通大学以及华南理工大学联合开展了轻量化悬挂式运载系统的研究合作，并与华南理工卢少锋博士团队联合与英国伯明翰大学以及利物浦大学合作开展了研究项目申请。

（记者：金画恬 编辑：寇博 图片提供：伍朝显、shutterstock）