能量型超級電容器車載儲能系統的研制與應用淺析

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能系統的幾種裝置類型，重點對各類儲能系統的工作原理、相關的應用案例進行了介紹。對一種能量型超級電容器的車載儲能系統的原理及應用進行了分析介紹。

關鍵詞：城市軌道交通、有軌電車;能量型超級電容器、車載儲能系統

1 概述

新型城鎮化和公交優先發展戰略下，有軌電車以其節能環保、安全快捷等優勢，在國內的發展和應用速度越來越快，并開始從一線城市向省會城市再向三四線城市發展。目前已有90多個城市規劃了現代有軌電車線路，且有軌電車線路規劃城市仍在持續增加，遠期總規劃里程已超過10000公里。

由于城市景觀的需要或共享路權的平交道口，有軌電車線路往往存在部分的無電區或者全線無架空接觸網供電的情況。在無電區或無架空接觸網運行的區段，需要有軌電車配置車載儲能系統，以實現有軌電車在上述線路區間運行。

隨著城市有軌電車的發展規劃，有軌電車用車載儲能系統的研究與應用也成為城市軌道交通領域的一個重要研究方向。

2 車載儲能系統分類

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

2.1 區間部分無架空接觸網應用

區間無架空接觸網型線路無電區較短時，對車載儲電量要求較低，無電區間多為在平交道口，需驅動距離僅有幾百米。對于此類需要頻繁充放電且蓄電量需求低的工況，使用傳統的雙電層超級電容器即可滿足使用要求。對于無電區區段較長甚至部分站區間沒有接觸網只能隔站接觸網補充電能的線路，只有使用能量密度更高的能量型超級電容器才能滿足儲電量和使用壽命的要求。

有軌電車應用于區間部分無架空接觸網線路時需要配置車載DC/DC變流器，在進無電區前由車載DC/DC變流器將電量補充滿，同時車輛在進入無電區后降速行駛，降低功率保障列車安全通過無電區。

傳統的雙電層超級電容器的能量密度僅為6Wh/kg。為盡可能保障列車在無電區的用電，還需同時兼顧車載再生制動能量的回收，該類型的整車的控制策略較為復雜。有限的儲電量也限制了此類車載儲能系統的發展與應用。

目前使用雙電層超級電容器儲能的有軌電車區間無架空接觸網線路有沈陽渾南的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的雙電層超級電容器，整車可用電量僅為1.6kWh。

目前使用能量型超級電容器儲能的區間無架空接觸網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電容器的能量密度可達26Wh/kg，整車配電量20kWh，可實現隔站充電。

2.2 全線無架空接觸網應用

隨著車載儲能元器件能量密度的升高以及地面充電樁技術的發展，有軌電車全線無架空接觸網的方式已得到實現。根據車載儲系統的儲電能力和續航里程，運營線路可分別采用站站充電、隔站充電以及終點充電方式配置充電裝置。

終點充電方式要求車載的儲能元件能量密度高，續航里程長，目前僅電池型儲能能滿足其續航能力。但由于現階段鋰電池循環壽命普遍較短，功率密度低，循環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，因此電池型儲能及終點充電方式尚未得到普及。

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

2.2.1能量型超級電容器車載儲能系統

車載儲能系統使用能量型超級電容器，匹配超級電容管理系統后，可將電容器串聯至車載變流器額定工作電壓，直接驅動車輛的變流器用于牽引或輔助工作。應用于全線無架空接觸網模式時，使用能量型超級電容器的車載儲能系統無需配置車載DC/DC變流器，車輛到站后由地面的充電裝置對車載儲能系統進行充電。

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

目前使用能量型超級電容器儲能系統的全線無架空接觸網線路有南京麒麟、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，在連續兩站能耗較小的區間可以實現隔站充電。

2.2.2電電混合車載儲能

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

電電混合車載儲能系統一般也需要配置車載DC/DC變流器，用于低電壓儲能單元部分的充放電管理。以電池和能量型超級電容混合的系統為例，系統中能量型超級電容器串聯至系統額定工作電壓，可直接用于驅動車載變流器。電池部分可串聯工作電壓較低，需經過DC/DC升壓后再與能量型超級電容共同為車輛提供能量。系統運行時，通過適當的能量管理策略，可實現由功率密度高的超級電容部分輸出瞬時大功率，用于吸收短時的再生制動和大級位牽引時所需的功率，由能量密度較高的蓄電池或贗電容提供長時間續航的能量，實現優勢互補。

該類型主接線示意如下圖所示。

具體應用方面，廣州海珠線、江蘇淮安線、深圳龍華線的車載儲能系統使用贗電容和雙電層超級電容器;青海德令哈有軌電車的車載儲能系統使用混合型超級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+超級電容三種混合儲能的車載儲能系統。

3 能量型車載超級電容儲能系統的研制應用

本文研究了一種針對區間部分無架空接觸網的能量型超級電容車載儲能系統，具體應用對象為有600m（無電區段最長499.7m，增加100m裕量，按600m計算）無電區的亦莊新城現代有軌電車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1拖2懸浮的動力編組型式：Mc1-F1-Tp-F2-Mc2（其中Mc：帶司機室動車，Tp：拖車，F：懸浮車）。列車編組示意圖如圖1所示。

通過對既有的車載儲能系統項目方案研究與對其實際運行中采集數據的分析，并結合客戶對于車載儲能系統的實際需求，進行亦莊線有軌電車車載儲能系統的研發，為滿足實際工況供電需求，通過仿真軟件計算線路所需電量，從而盡可能合理的配置儲能系統的電量;電容模組易發熱且客戶對于系統防護等級有較高要求，所以通過計算分析為系統設計了一套車載空調器;在系統各部分設計完成后進行樣機組裝并調試運行。

3.1儲電量需求牽引計算分析

車載儲能系統的輸出電壓電流特性應滿足車輛在無網區的牽引、輔助等整車用電需求。車輛牽引系統和輔助系統技術參數及性能如下：

（1）無網區車輛限速30km/h運行，牽引系統整車功率限制值200kW（暫定）

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

容量滿足在無網區段遇到擁堵情況下，前3min內輔助系統滿負荷運裝，3-10min內輔助系統減半運裝，10-30min內通風系統減半運轉，30min后輔助系統停止工作，待交通恢復后（暫定為輔助系統停止工作2h以內），滿足列車在線路最大坡道（60‰）上啟停3次，且可運行至最近的有電區（無電區段最長600m）。容量配置滿足北京夏天炎熱天氣、冬天寒冷天氣、全線運營過程中空調不間斷運行要求。

車輛整車輔助用電按60kVA進行核算。其中DC24V功率10kW，單相交流功率5kW，空調制冷額定功率45kW?？照{減載模式功率24kW，通風模式功率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間為六環路及新鳳河橋路口的上行，累計能耗為3.47kWh。

在最惡劣的啟動工況下，在60‰的坡道三次啟動，按照每次啟動運行20m計算，單次啟動能耗約為0.5kWh。三次啟動累計能耗約為1.5kWh。

綜合考慮無電區的三個要求，線路最嚴苛的能耗為11.42+3.47+1.5=16.39kWh，按照超級電容容量衰減0.85計算，電容容量至少需要19.28kWh。

3.2系統設計與構成

為了能夠同時滿足車輛功率和能量需求，使用一種能量型超級電容進行配置，并根據車輛提供的空間條件進行配置，能夠滿足其功率和能量需求，同時兼顧儲能介質的循環壽命。

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

考慮氣候條件與模組使用條件，儲能采用空調為恒溫系統提供冷卻（或加熱）的空氣，空調采用內、外機一體化設計，做成獨立的箱體與電容箱拼接而成，結構緊湊，安裝方便;空調的室內機與電容箱相通，形成相對密閉的環境，隔絕了外界水汽，解決了冷凝水的問題;空調的使用，使超級電容的環境溫度是可調節的，通過溫度控制系統，能使超級電容在最佳的溫度范圍內工作，提高了超級電容的性能和壽命。

空調風冷系統工作原理圖如圖1所示，室內機與電容箱連接，形成密閉腔，在蒸發風機的作用下，空氣在密閉腔內循環，室外機與外界空氣進行外循環，根據外環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：空調制冷工作，空氣氣流分為外循環和內循環兩部分。內循環為在超級電容箱右側的蒸發風機（2）抽風作用下，空氣經過空調蒸發器（3）冷卻，冷空氣經過模組風道后被加熱，熱空氣被吸入蒸發風機后，通過模組上部風道，回流到空調內機蒸發器前，完成一個散熱內循環。外循環為空調冷凝風機（6）工作，外部空氣流過空調冷凝器（5）帶走冷凝器熱量后，從冷凝風機上方流出。

2、加熱模式：加熱模式在冬季機車啟動時使用，空調電加熱模塊（4）工作，在蒸發風機帶動下空氣進行內循環。此時，沒有空氣外循環。

3、均衡模式：均衡模式在超級電容模組發熱量小而外界溫度較低的情況下使用，空調不需要制冷，只需啟動蒸發風機，進行空氣內循環，將模組內部熱量散發出來即可。

儲能系統的整體構成如下圖所示：

箱體采用鋁合金板蒙皮鉚接，由電氣箱、模組箱、空調箱三部分拼接而成。電氣箱內有高低壓組件，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、絕緣檢測模塊及端子排組件等組成，安裝在可翻轉的安裝面板上。模組箱內裝有電容模組、煙霧傳感器及渦流風機等?？照{箱內為空調系統組件，由蒸發器、冷凝器、壓縮機及管路等部件組成。

3.3設備現場應用

目前按照上述所提及的方案設計的儲能系統已經投入運營，能量滿足線路工況的需求，模組工作狀態正常無頻發故障。

4 總結

能量型超級電容器由于其較高的功率密度、能量密度及循環壽命，與有軌電車啟動制動頻繁，啟動制動功率大，且儲電量要求高的工況特點相吻合，目前占據著有軌電車較大的市場份額。隨著超級電容器及其管理技術的快速發展，能量型車載超級電容儲能裝置在國內也即將出臺國家標準，儲能式有軌電車的使用應用將更加的規范。

本文分析了有軌電車車載儲能系統的應用現狀，根據其供電方式進行了分類介紹，并詳細介紹了一種能量型超級電容器的車載超級電容儲能系統。結合牽引仿真計算及實際列車運行對比驗證。

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