能量型超級(jí)電容器車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制與應(yīng)用淺析

張國紅 馬曉霆 劉陸洲

摘要：介紹了城市軌道交通有軌電車車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的幾種裝置類型，重點(diǎn)對(duì)各類儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理、相關(guān)的應(yīng)用案例進(jìn)行了介紹。對(duì)一種能量型超級(jí)電容器的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理及應(yīng)用進(jìn)行了分析介紹。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通、有軌電車;能量型超級(jí)電容器、車載儲(chǔ)能系統(tǒng)

1 概述

新型城鎮(zhèn)化和公交優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略下，有軌電車以其節(jié)能環(huán)保、安全快捷等優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用速度越來越快，并開始從一線城市向省會(huì)城市再向三四線城市發(fā)展。目前已有90多個(gè)城市規(guī)劃了現(xiàn)代有軌電車線路，且有軌電車線路規(guī)劃城市仍在持續(xù)增加，遠(yuǎn)期總規(guī)劃里程已超過10000公里。

由于城市景觀的需要或共享路權(quán)的平交道口，有軌電車線路往往存在部分的無電區(qū)或者全線無架空接觸網(wǎng)供電的情況。在無電區(qū)或無架空接觸網(wǎng)運(yùn)行的區(qū)段，需要有軌電車配置車載儲(chǔ)能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)有軌電車在上述線路區(qū)間運(yùn)行。

隨著城市有軌電車的發(fā)展規(guī)劃，有軌電車用車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用也成為城市軌道交通領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

2 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)分類

目前有軌電車車載儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)有軌電車的線路供電情況可分為兩大類，一類是區(qū)間部分無架空接觸網(wǎng)型，一類是全線無無架空接觸網(wǎng)型。其中區(qū)間部分無架空接觸網(wǎng)型對(duì)車載儲(chǔ)能量較低，多使用雙電層超級(jí)電容器或能量型超級(jí)電容器（能量密度較高的贗電容、混合型超級(jí)電容器、電池型超級(jí)電容的統(tǒng)稱）作為車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，同時(shí)需要車載儲(chǔ)能系統(tǒng)配備車載DC/DC，以便于列車在有電區(qū)充電，并在無電區(qū)穩(wěn)定車載儲(chǔ)能的輸出電壓。全線無架空接觸網(wǎng)型對(duì)車載儲(chǔ)能量要求較高，同時(shí)要求地面站點(diǎn)配置充電樁以滿足車輛到站充電的需求。根據(jù)車載儲(chǔ)能元件的劃分，全線無架空接觸網(wǎng)型可分為能量型超級(jí)電容器儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能和能量型超級(jí)電容器+電池儲(chǔ)能（下文稱電電混合儲(chǔ)能）三種方式。目前國內(nèi)全線無架空接觸網(wǎng)能量型超級(jí)電容儲(chǔ)能型應(yīng)用案例應(yīng)用較多。

2.1 區(qū)間部分無架空接觸網(wǎng)應(yīng)用

區(qū)間無架空接觸網(wǎng)型線路無電區(qū)較短時(shí)，對(duì)車載儲(chǔ)電量要求較低，無電區(qū)間多為在平交道口，需驅(qū)動(dòng)距離僅有幾百米。對(duì)于此類需要頻繁充放電且蓄電量需求低的工況，使用傳統(tǒng)的雙電層超級(jí)電容器即可滿足使用要求。對(duì)于無電區(qū)區(qū)段較長(zhǎng)甚至部分站區(qū)間沒有接觸網(wǎng)只能隔站接觸網(wǎng)補(bǔ)充電能的線路，只有使用能量密度更高的能量型超級(jí)電容器才能滿足儲(chǔ)電量和使用壽命的要求。

有軌電車應(yīng)用于區(qū)間部分無架空接觸網(wǎng)線路時(shí)需要配置車載DC/DC變流器，在進(jìn)無電區(qū)前由車載DC/DC變流器將電量補(bǔ)充滿，同時(shí)車輛在進(jìn)入無電區(qū)后降速行駛，降低功率保障列車安全通過無電區(qū)。

傳統(tǒng)的雙電層超級(jí)電容器的能量密度僅為6Wh/kg。為盡可能保障列車在無電區(qū)的用電，還需同時(shí)兼顧車載再生制動(dòng)能量的回收，該類型的整車的控制策略較為復(fù)雜。有限的儲(chǔ)電量也限制了此類車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。

目前使用雙電層超級(jí)電容器儲(chǔ)能的有軌電車區(qū)間無架空接觸網(wǎng)線路有沈陽渾南的70%和100%低地板有軌電車、珠海有軌電車、北京西郊線等。以沈陽的渾南有軌電車為例，車輛配置了125V/63F和48V/165F的雙電層超級(jí)電容器，整車可用電量?jī)H為1.6kWh。

目前使用能量型超級(jí)電容器儲(chǔ)能的區(qū)間無架空接觸網(wǎng)線路間有本文介紹的北京地鐵亦莊線等有軌電車線路。亦莊線采用的能量型超級(jí)電容器的能量密度可達(dá)26Wh/kg，整車配電量20kWh，可實(shí)現(xiàn)隔站充電。

2.2 全線無架空接觸網(wǎng)應(yīng)用

隨著車載儲(chǔ)能元器件能量密度的升高以及地面充電樁技術(shù)的發(fā)展，有軌電車全線無架空接觸網(wǎng)的方式已得到實(shí)現(xiàn)。根據(jù)車載儲(chǔ)系統(tǒng)的儲(chǔ)電能力和續(xù)航里程，運(yùn)營線路可分別采用站站充電、隔站充電以及終點(diǎn)充電方式配置充電裝置。

終點(diǎn)充電方式要求車載的儲(chǔ)能元件能量密度高，續(xù)航里程長(zhǎng)，目前僅電池型儲(chǔ)能能滿足其續(xù)航能力。但由于現(xiàn)階段鋰電池循環(huán)壽命普遍較短，功率密度低，循環(huán)壽命突出的鈦酸鋰電池平均期望壽命也僅有2萬次充放電循環(huán)，因此電池型儲(chǔ)能及終點(diǎn)充電方式尚未得到普及。

高能量密度的超級(jí)電容的問世，使得有軌電車站站充電、隔站充電的方式得以發(fā)展普及，能量型超級(jí)電容器以及電電混合儲(chǔ)能的方式，是目前全線無架空接觸網(wǎng)線路的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)最常見的儲(chǔ)能方式。

2.2.1能量型超級(jí)電容器車載儲(chǔ)能系統(tǒng)

車載儲(chǔ)能系統(tǒng)使用能量型超級(jí)電容器，匹配超級(jí)電容管理系統(tǒng)后，可將電容器串聯(lián)至車載變流器額定工作電壓，直接驅(qū)動(dòng)車輛的變流器用于牽引或輔助工作。應(yīng)用于全線無架空接觸網(wǎng)模式時(shí)，使用能量型超級(jí)電容器的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)無需配置車載DC/DC變流器，車輛到站后由地面的充電裝置對(duì)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電。

能量型超級(jí)電容主要包括贗電容、混合型超級(jí)電容器、電池型超級(jí)電容器。該類型電容器性能介于鋰電池和雙電層超級(jí)電容器之間。目前主流的能量型超級(jí)電器能量密度可達(dá)18～50Wh/kg，已接近鈦酸鋰電池的80Wh/kg。

目前使用能量型超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的全線無架空接觸網(wǎng)線路有南京麒麟、南京河西、紅河州等。以南京的麒麟走廊有軌電車為例，車輛配置了能量密度為25.2Wh/kg的贗電容，在連續(xù)兩站能耗較小的區(qū)間可以實(shí)現(xiàn)隔站充電。

2.2.2電電混合車載儲(chǔ)能

為了滿足車輛儲(chǔ)能量及功率的需求，使用兩種及以上儲(chǔ)電元件共同為有軌電車提供能量也是可行性較高的方法。國內(nèi)已有多個(gè)使用贗電容和混合型超級(jí)電容器、 電池和超級(jí)電容器、贗電容和雙電層超級(jí)電容的案例

電電混合車載儲(chǔ)能系統(tǒng)一般也需要配置車載DC/DC變流器，用于低電壓儲(chǔ)能單元部分的充放電管理。以電池和能量型超級(jí)電容混合的系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中能量型超級(jí)電容器串聯(lián)至系統(tǒng)額定工作電壓，可直接用于驅(qū)動(dòng)車載變流器。電池部分可串聯(lián)工作電壓較低，需經(jīng)過DC/DC升壓后再與能量型超級(jí)電容共同為車輛提供能量。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過適當(dāng)?shù)哪芰抗芾聿呗裕蓪?shí)現(xiàn)由功率密度高的超級(jí)電容部分輸出瞬時(shí)大功率，用于吸收短時(shí)的再生制動(dòng)和大級(jí)位牽引時(shí)所需的功率，由能量密度較高的蓄電池或贗電容提供長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的能量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

該類型主接線示意如下圖所示。

具體應(yīng)用方面，廣州海珠線、江蘇淮安線、深圳龍華線的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)使用贗電容和雙電層超級(jí)電容器;青海德令哈有軌電車的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)使用混合型超級(jí)電容器和鈦酸鋰電池;佛山有軌電車曾使用氫燃料電池+鈦酸鋰電池+超級(jí)電容三種混合儲(chǔ)能的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3 能量型車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制應(yīng)用

本文研究了一種針對(duì)區(qū)間部分無架空接觸網(wǎng)的能量型超級(jí)電容車載儲(chǔ)能系統(tǒng)，具體應(yīng)用對(duì)象為有600m（無電區(qū)段最長(zhǎng)499.7m，增加100m裕量，按600m計(jì)算）無電區(qū)的亦莊新城現(xiàn)代有軌電車T1線，列車為5模塊編組。

該低地板有軌電車車輛的基本配置為5輛車編組，整列車采用2動(dòng)1拖2懸浮的動(dòng)力編組型式：Mc1-F1-Tp-F2-Mc2（其中Mc：帶司機(jī)室動(dòng)車，Tp：拖車，F(xiàn)：懸浮車）。列車編組示意圖如圖1所示。

通過對(duì)既有的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目方案研究與對(duì)其實(shí)際運(yùn)行中采集數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合客戶對(duì)于車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際需求，進(jìn)行亦莊線有軌電車車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)，為滿足實(shí)際工況供電需求，通過仿真軟件計(jì)算線路所需電量，從而盡可能合理的配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量;電容模組易發(fā)熱且客戶對(duì)于系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)有較高要求，所以通過計(jì)算分析為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套車載空調(diào)器;在系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行樣機(jī)組裝并調(diào)試運(yùn)行。

3.1儲(chǔ)電量需求牽引計(jì)算分析

車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電壓電流特性應(yīng)滿足車輛在無網(wǎng)區(qū)的牽引、輔助等整車用電需求。車輛牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及性能如下：

（1）無網(wǎng)區(qū)車輛限速30km/h運(yùn)行，牽引系統(tǒng)整車功率限制值200kW（暫定）

（2）車輛整車輔助用電按60kVA進(jìn)行核算。其中DC24V功率10kW，單相交流功率5kW，空調(diào)制冷額定功率45kW?？照{(diào)減載模式功率24kW，通風(fēng)模式功率1.6kW。

容量滿足在無網(wǎng)區(qū)段遇到擁堵情況下，前3min內(nèi)輔助系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)裝，3-10min內(nèi)輔助系統(tǒng)減半運(yùn)裝，10-30min內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)減半運(yùn)轉(zhuǎn)，30min后輔助系統(tǒng)停止工作，待交通恢復(fù)后（暫定為輔助系統(tǒng)停止工作2h以內(nèi)），滿足列車在線路最大坡道（60‰）上啟停3次，且可運(yùn)行至最近的有電區(qū)（無電區(qū)段最長(zhǎng)600m）。容量配置滿足北京夏天炎熱天氣、冬天寒冷天氣、全線運(yùn)營過程中空調(diào)不間斷運(yùn)行要求。

車輛整車輔助用電按60kVA進(jìn)行核算。其中DC24V功率10kW，單相交流功率5kW，空調(diào)制冷額定功率45kW?？照{(diào)減載模式功率24kW，通風(fēng)模式功率1.6kW?？芍萝?0分鐘所消耗的能量約為Ws=（60*3+39*7+11.6*20）/60=11.42kWh。

目前耗電量最大的區(qū)間為六環(huán)路及新鳳河橋路口的上行，累計(jì)能耗為3.47kWh。

在最惡劣的啟動(dòng)工況下，在60‰的坡道三次啟動(dòng)，按照每次啟動(dòng)運(yùn)行20m計(jì)算，單次啟動(dòng)能耗約為0.5kWh。三次啟動(dòng)累計(jì)能耗約為1.5kWh。

綜合考慮無電區(qū)的三個(gè)要求，線路最嚴(yán)苛的能耗為11.42+3.47+1.5=16.39kWh，按照超級(jí)電容容量衰減0.85計(jì)算，電容容量至少需要19.28kWh。

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)成

為了能夠同時(shí)滿足車輛功率和能量需求，使用一種能量型超級(jí)電容進(jìn)行配置，并根據(jù)車輛提供的空間條件進(jìn)行配置，能夠滿足其功率和能量需求，同時(shí)兼顧儲(chǔ)能介質(zhì)的循環(huán)壽命。

選用一種166V/454F能量型超級(jí)電容模組，整車共配置兩套系統(tǒng)，單套系統(tǒng)由模組3串4并組成500V606F超級(jí)電容系統(tǒng)。電容組在滿充電條件下，以有效電量（考慮85%衰減）為10.08kWh，車載超級(jí)電容的儲(chǔ)能容量為20.16kWh。單套系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如下：

考慮氣候條件與模組使用條件，儲(chǔ)能采用空調(diào)為恒溫系統(tǒng)提供冷卻（或加熱）的空氣，空調(diào)采用內(nèi)、外機(jī)一體化設(shè)計(jì)，做成獨(dú)立的箱體與電容箱拼接而成，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便;空調(diào)的室內(nèi)機(jī)與電容箱相通，形成相對(duì)密閉的環(huán)境，隔絕了外界水汽，解決了冷凝水的問題;空調(diào)的使用，使超級(jí)電容的環(huán)境溫度是可調(diào)節(jié)的，通過溫度控制系統(tǒng)，能使超級(jí)電容在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，提高了超級(jí)電容的性能和壽命。

空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，室內(nèi)機(jī)與電容箱連接，形成密閉腔，在蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的作用下，空氣在密閉腔內(nèi)循環(huán)，室外機(jī)與外界空氣進(jìn)行外循環(huán)，根據(jù)外環(huán)境溫度及車輛工作情況，其工作模式有如下三種：

1、制冷模式：空調(diào)制冷工作，空氣氣流分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩部分。內(nèi)循環(huán)為在超級(jí)電容箱右側(cè)的蒸發(fā)風(fēng)機(jī)（2）抽風(fēng)作用下，空氣經(jīng)過空調(diào)蒸發(fā)器（3）冷卻，冷空氣經(jīng)過模組風(fēng)道后被加熱，熱空氣被吸入蒸發(fā)風(fēng)機(jī)后，通過模組上部風(fēng)道，回流到空調(diào)內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器前，完成一個(gè)散熱內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)為空調(diào)冷凝風(fēng)機(jī)（6）工作，外部空氣流過空調(diào)冷凝器（5）帶走冷凝器熱量后，從冷凝風(fēng)機(jī)上方流出。

2、加熱模式：加熱模式在冬季機(jī)車啟動(dòng)時(shí)使用，空調(diào)電加熱模塊（4）工作，在蒸發(fā)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)下空氣進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。此時(shí)，沒有空氣外循環(huán)。

3、均衡模式：均衡模式在超級(jí)電容模組發(fā)熱量小而外界溫度較低的情況下使用，空調(diào)不需要制冷，只需啟動(dòng)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行空氣內(nèi)循環(huán)，將模組內(nèi)部熱量散發(fā)出來即可。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體構(gòu)成如下圖所示：

箱體采用鋁合金板蒙皮鉚接，由電氣箱、模組箱、空調(diào)箱三部分拼接而成。電氣箱內(nèi)有高低壓組件，高壓組件主要由高壓元器件、銅排及安裝板等組成，通過螺栓等緊固件與箱體底部蒙皮連接;低壓組件由主控板組件、絕緣檢測(cè)模塊及端子排組件等組成，安裝在可翻轉(zhuǎn)的安裝面板上。模組箱內(nèi)裝有電容模組、煙霧傳感器及渦流風(fēng)機(jī)等。空調(diào)箱內(nèi)為空調(diào)系統(tǒng)組件，由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)及管路等部件組成。

3.3設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前按照上述所提及的方案設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)營，能量滿足線路工況的需求，模組工作狀態(tài)正常無頻發(fā)故障。

4 總結(jié)

能量型超級(jí)電容器由于其較高的功率密度、能量密度及循環(huán)壽命，與有軌電車啟動(dòng)制動(dòng)頻繁，啟動(dòng)制動(dòng)功率大，且儲(chǔ)電量要求高的工況特點(diǎn)相吻合，目前占據(jù)著有軌電車較大的市場(chǎng)份額。隨著超級(jí)電容器及其管理技術(shù)的快速發(fā)展，能量型車載超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在國內(nèi)也即將出臺(tái)國家標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)能式有軌電車的使用應(yīng)用將更加的規(guī)范。

本文分析了有軌電車車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)其供電方式進(jìn)行了分類介紹，并詳細(xì)介紹了一種能量型超級(jí)電容器的車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。結(jié)合牽引仿真計(jì)算及實(shí)際列車運(yùn)行對(duì)比驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉高原，李鴻春，馮愛軍等.中國有軌電車行業(yè)發(fā)展分析與建議[J]. 都市快軌交通， 2019，32（1）：102-109.

[2] 黎冬平.我國有軌電車的發(fā)展趨勢(shì)與思考[J].交通與港航， 2017，2（1）：21-26.

[3] 楊宇. 鋰離子電容器的未來與展望[J]. 國外鐵道車輛， 2019，56（6）：25-28.

[4]武佩帥.基于超級(jí)電容的現(xiàn)代有軌電車儲(chǔ)能供電技術(shù)研究[D].東南大學(xué). 2019

[5]趙霖.現(xiàn)代儲(chǔ)能式有軌電車供電系統(tǒng)方案分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2019（16）：129-131.