城市軌道交通車輛儲能技術研究*

王儉樸 任成龍

(南京工程學院汽車與軌道交通學院,211167,南京∥第一作者，副教授)

城市軌道交通車輛儲能技術研究*

王儉樸 任成龍

(南京工程學院汽車與軌道交通學院,211167,南京∥第一作者，副教授)

介紹了目前已在國內外城市軌道交通車輛上使用的電池組、飛輪和超級電容等儲能技術。從性能和經濟性方面對三種儲能設備進行了比較,指出超級電容是最為理想的儲能方式。通過比較超級電容的車載和地面模式,提出超級電容車載模式是最為經濟的儲能模式。

城市軌道交通車輛; 儲能技術; 儲能方式; 超級電容

Author′s address School of Automotive & Rail Transit,Nanjing Institute of Technology,211167,Nanjing,China

城市軌道交通站間距離短、運行密度高,車輛在頻繁的制動過程中會產生數量可觀的制動能量。特別是近些年,新投入使用的車輛不斷提速,列車制動能量的存儲和電力再生特別值得關注。本文首先介紹了目前已在國內外城市軌道交通車輛上使用的電池組、飛輪和超級電容等儲能技術;其次對三種儲能技術在性能和經濟性方面進行了比較,指出超級電容是最為理想的儲能方式;最后通過對超級電容的車載和地面模式的比較,提出了超級電容車載模式是最為經濟的儲能模式。

1 城市軌道交通車輛儲能方式

城市軌道交通車輛儲能系統的結構圖如圖1所示。儲能媒介通過儲能變流器與直流電網相連。目前國際上應用的儲能技術主要有鋰電池儲能、飛輪儲能和超級電容儲能等。由于儲能設備在安裝方式上存在差異,儲能系統又分為地面式和車載式。地面式是將儲能設備安裝于地面或隧洞內,其要考慮能量在傳輸過程中的線損和壓降,需著重考慮儲能設備的場地設置等問題。地面式儲能系統技術成熟,應用比較廣泛。車載式儲能系統是將儲能設備安裝在車輛上,隨車一起牽引運行,其受到車輛本身空間的限制,因此該方式要著重考慮儲能系統設備的體積和質量等問題。

圖1 城市軌道交通車輛儲能系統結構圖

2 城市軌道交通車輛儲能技術

2.1 鋰電池儲能技術

鋰電池是一類以鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。

由于鋰電池具有高存儲能量密度、低自放電率、充放電過程穩定、維護簡單、造價低等優點,使鋰離子電池儲能系統成為近年來國內外研究與應用的熱點。

2.2 飛輪儲能技術

飛輪儲能是一種機電能量轉換裝置,最終以飛輪的機械動能形式實現儲能的目的。

隨著高強度碳素纖維復合材料的出現以及電力電子技術、磁浮技術和高溫超導技術的迅速發展，給飛輪儲能技術帶來了很大的發展空間。

飛輪儲能系統中，飛輪裝置通過儲能變流器與直流電網相連。飛輪裝置結構如圖 2 所示,一般由飛輪轉子、軸承、電動/發電機、真空容器等主要部件組成。

圖2 飛輪裝置的基本結構

飛輪與同步電機通過軸承連接在一起,通過控制飛輪的轉速來實現充放電過程:充電(儲能)時,電能通過儲能變流器驅動電機運行,電機帶動飛輪轉動,飛輪以機械動能的形式將能量存儲起來,完成了電能到機械能的儲能過程;放電時,旋轉的飛輪帶動電機轉動,電機作為發電機,將飛輪的機械動能轉化為電能,向直流電網提供電能,飛輪的轉速開始下降,完成了機械能到電能的釋放能量過程。

飛輪裝置軸承的性能直接影響飛輪儲能系統的效率、可靠性以及壽命。目前，飛輪儲能系統均采用磁懸浮,這樣可以減少電機旋轉時的摩擦,降低機械損耗,提高儲能效率。

目前，飛輪儲能技術在城市軌道交通車輛的應用只限于地面式,沒有車載式的使用先例。主要原因有以下兩方面:①受空間的限制,適合吸收城市軌道交通車輛制動過程所產生能量的飛輪沒有合適的安裝空間;②基于安全方面的考慮,飛輪安裝在運動的車輛上,對于車輛的平穩運行有一定的影響。

2.3 超級電容器儲能技術

超級電容是一種介于電池與傳統電容之間,具有特殊性能的電源,主要依靠雙電層和氧化還原電容電荷儲存電能,通過極化電解質來實現儲能。其在儲能的過程中沒有化學反應,儲能過程可以實現可逆。超級電容擁有長壽命、快速充放電的特點。超級電容的外形如圖3 所示。

圖3 超級電容的外形圖

超級電容器又名雙電層電容器,是在電極/溶液界面通過離子或電子的定向排列造成電荷對峙而產生。超級電容器的工作原理為:當在兩極施加電場后,溶液中的陰、陽離子分別向正、負電極移動,在電極表面形成雙電層;當撤銷電場后,電極上的正負電荷與溶液中的電荷離子相吸而形成穩定的雙電層;當將兩極與外電路連通時,電極上的電荷在外電路中移動產生電流,溶液中的離子移動后呈中性。

雙電層電容器、 AC/ Ni(OH)2混合水系電容器和鋰離子電容器等三種超級電容器在產品特性和經濟性等方面的對比見表1。綜合考慮,一般選擇雙電層電容器作為城市軌道交通車輛儲能系統的儲能元件。

表1 三種超級電容器特性比較

3 三種儲能技術性能的比較

表2為鋰電池、飛輪、超級電容等三種儲能技術的性能比較。由表2可見,飛輪儲能在能量密度、功率密度方面的表現比較突出,循壞壽命相對較長。飛輪儲能技術之所以在城市軌道交通中應用較少,是因為其存在以下不足之處：首先,它有一個潛在的危險,就是在災難性故障情況下會發生爆炸(例如在過載情況下，雖然其采用了現代纖維的復合材料來增強旋翼,但仍然無法在破壞性方面有明顯改善,既便有多重屏障安全保護(比如真空室作為第一安全圍欄),但潛在的危險仍然存在)；其次,飛輪儲能的質量相對較大；此外,飛輪儲能具有較高的自放電率,可達到100%。以上原因嚴重阻礙了飛輪儲能技術在城市軌道交通中的應用。

表2 車載鋰電池、飛輪、超級電容儲能的性能比較

和鋰電池相比較,超級電容循環壽命比較長,大約是鋰電池的103倍;功率密度大,大約是鋰電池的10倍。而相較超級電容,鋰電池的能量密度大，相同容量下鋰電池擁有更小的體積,鋰電池的密度大約是超級電容的15倍,更適合對安裝空間有嚴格要求的儲能方案;鋰電池的自放電率低,鋰電池的自放電率只有0.1%～0.3%,而超級電容的自放電率為20%～40%。

成本資金方面,鋰電池和超級電容相當。而在最快放電時間方面,超級電容有明顯優勢,是ms級,而鋰電池是s級。但對于地鐵車輛而言,鋰電池也能滿足要求,因為一般地鐵列車在車站的停靠時間為45 s左右。

由表2可知,鋰電池和超級電容在性能上各有優勢,可以進行優勢互補。因此,鋰電池和超級電容通過串并聯組合的混合儲能方式也是一種節能儲能的方法。可以充分利用超級電容器的大功率密度與鋰電池的大能量密度。利用鋰電池擴充存儲容量,彌補超級電容器能量密度小的缺點,以提高儲能經濟性;利用超級電容器吸收線路上瞬時變化的大電流沖擊,保護鋰電池組,以提高儲能系統的壽命。

通過已有的研究成果和應用經驗可以看出,飛輪儲能技術在軌道交通中鮮有應用,尤其是城市軌道交通車輛車載飛輪儲能系統,目前只在文獻[12]中有提及。

鋰電池儲能在軌道交通中的研究和應用越來越受關注,但目前實際應用不多。鋰電池儲能系統具有能量密度高、體積小等優點,無架線的行車區間比較適合采用,列車在區間內可依靠車載鋰電池提供動力。

超級電容在實際中應用較多,不管是車載式還是地面式都有應用。對依靠架線供電的軌道交通系統,可通過在線路上設置功率密度大的地面式超級電容儲能系統來達到節能的目的。目前，針對超級電容儲能技術的優化主要有以下幾方面:①減少能量消耗;②減少地面式儲能系統的線上峰值功率;③穩定線壓;④車載式儲能系統自動運營。

車載式相比地面式更具優勢,主要體現在以下兩方面:①可以減少地面式能量在傳輸過程中的損耗;②車載式在運行過程中更具靈活性。

如何更加經濟和有效地在城市軌道交通車輛中應用鋰電池儲能、飛輪儲能和超級電容儲能,目前仍是研究的熱點。本文對上述三種儲能方式的優缺點比較見表 3。

表3 鋰電池、飛輪、超級電容儲能的優缺點比較

4 結語

在選擇能量存儲媒介過程中,考慮的因素主要包括尺寸、質量、效率、性價比和負載的循環能力等。

對于地面式儲能系統,可選擇超級電容儲能系統或者飛輪儲能系統,但飛輪儲能系統在實際應用過程中存在潛在的風險,所以目前超級電容儲能系統是最佳的選擇。當然,不論地面式儲能系統選擇何種儲能媒介,均要考慮線損,選擇儲能系統的安裝位置是非常關鍵的環節。

對于車載式儲能系統,可選擇超級電容儲能或鋰電池儲能。從性價比方面考慮,超級電容有較長的循環壽命和高功率密度,目前應用較多,是一種比較理想的儲能方式。鋰電池有體積優勢,但循環壽命較短。其在充放電時有較高的電流,在實際運用過程中仍有一些問題有待解決,如鋰電池組有較大的內阻,在充放電過程中使內部產生熱量。因此,為確保安全運行,需強制性使用電池管理系統,使其至少有過電壓、欠壓、過溫、過流保護。更先進的系統可提供電池電壓的平衡,確保所有的電池都在相同的電壓和充電狀態下運行。

地面式儲能系統不僅要考慮能量在傳輸過程中的線損和壓降,而且要考慮儲能設備的場地設置等問題;同時,對于能量的管理涉及到該線路的整個供電網。而車輛安裝車載儲能系統后,不僅可減少牽引網的電壓跌落,從一定程度上改善供電質量,同時可增大超級電容在列車惰性行駛時的放電電流,進一步釋放儲能空間,提高節能效果。通過對超級電容的車載和地面模式的比較,認為超級電容車載模式是最為經濟的儲能模式。

此外,在選擇城市軌道交通儲能媒介時,還要充分考慮設備的成本、后期維修和安裝等實際問題。

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Research of Energy Storage Technology for Urban Rail Transit Vehicle

WANG Jianpu,REN Chenglong

From the aspect of performance and fuel economy, 3 types of energy storage technology: battery, flywheel and super capacitor are introduced and compared. The result shows that the super capacitor is the most ideal way of energy storage. By comparing the on-board and ground modes of super capacitor, the super capacitor on-board mode is regarded as the most economical energy storage mode.

urban rail transit vehicle; storage technology; storage mode; super capacitor

*南京工程學院科研創新基金面上項目(CKJB201311)

U 270.35+9

10.16037/j.1007-869x.2017.01.029

2015-03-31)