Архітектурно-технологічні принципи інтеграції електрохімічних накопичувачів енергії у plug-in гібридні тягові системи залізничного транспорту

Abstract

UA: Мета цієї наукової статті — систематичний архітектурно-технологічний аналіз інтеграції електрохімічних накопичувачів енергії (ESS) у тягові системи plug-in гібридного рухомого складу (РС) залізничного транспорту. Методологія ґрунтована на узагальненні схемотехнічних рішень, зокрема топологій двонаправлених DC-DC перетворювачів (BDC) і систем керування батареєю (BMS), а також порівняльному аналізі технічних параметрів літій-іонних електрохімічних елементів (Li-Ion). Отримані результати демонструють критичну важливість ізольованих BDC (наприклад Dual Active Bridge – DAB) для убезпечення та ефективності рекуперації у високовольтних системах. Підтверджено доцільність використання SiC-технологій для підвищення питомої потужності та необхідність високої точності BMS (1 %) для максимізації ефективного діапазону використання ємності батареї. Зроблено висновок, що оптимальна архітектура ESS для залізничних застосувань має ґрунтуватися на гібридизації елементів (NMC, LFP, LTO) і застосуванні проактивних систем керування (MPC). Сфера застосування результатів включає проєктування та модернізацію енергоефективного залізничного РС із метою зниження споживання палива та експлуатаційних витрат.

EN: The global energy transition necessitates innovative solutions to reduce fossil fuel dependence in the railway sector. This paper analyzes the architectural integration of electrochemical On-board Energy Storage Systems into plug-in hybrid traction systems. The objective is to formulate an engineering approach for energy-efficient rolling stock operating on high-voltage networks (3 kilovolts) and autonomous power. The methodology synthesizes circuit designs, focusing on Bidirectional Direct Current converter topologies and Battery Management Systems. It compares Lithium-Ion cells (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide, Lithium Iron Phosphate, Lithium Titanate Oxide) to identify suitable heavy-duty configurations. The study identifies isolated Bidirectional Direct Current converters, specifically the Dual Active Bridge topology, as critical for safety in high-voltage environments. It substantiates the transition to Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, reducing switching losses by 50–70 % versus Insulated-Gate Bipolar Transistors. However, switching frequencies must be limited to 1.5– 2 kilohertz to comply with EN 50121 Electromagnetic Compatibility standards. The analysis shows mono-chemical Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide batteries are unsuitable due to thermal risks. Instead, a hybrid architecture combining Lithium Iron Phosphate for capacity and Lithium Titanate Oxide for peak power is proposed. Traditional Proportional-Integral-Derivative regulators are deemed insufficient for complex hybrids; the study advocates for Model Predictive Control to optimize energy flow based on route topography. Furthermore, a modular Battery Management System with high precision (1%) is required to maximize battery range. The optimal architecture integrates an isolated Silicon Carbide converter, a hybrid Lithium Iron Phosphate and Lithium Titanate Oxide battery, and Model Predictive Control, ensuring balanced safety, efficiency, and cost.