超級電容在有軌電車中應用的關鍵技術

朱彤

摘 要：為保障有軌電車運行效果，滿足當今社會交通需求，本文對超級電容在有軌電車中的關鍵技術進行分析。文章首先闡述了有軌電車中超級電容的應用，然后著重分析了其應用的關鍵技術，包括混合動力電源管理技術和快速充電技術。以此來為有軌電車中超級電容的良好應用提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通;有軌電車;超級電容

自上世紀的七十年代末，有軌電車就開始受到人們重視，隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，有軌電車也開始逐漸走進我們的生活，并在城市交通事業中發揮出了強大的優勢。超級電容是為有軌電車提供電力，滿足其正常運行需求的關鍵。因此，隨著近年來有軌電車的應用和發展，超級電容在其中的應用技術也開始備受關注。

1 有軌電車中的超級電容應用簡述

超級電容屬于一種性能非常高的儲能產品，它在當今的采礦行業、高鐵、輕軌和有軌電車等諸多領域中都非常適用。相比較傳統的有軌電車而言，將超級電容應用到有軌電車中，并將其作為一種儲能元件，這種超級電容儲能形式的有軌電車可以在無接觸網的情況下運行。借助于超級電容所具備的高功率密度、短充電時間、長生命周期等的優勢，可以在大功率儲存元件中快速儲存電能，以此來為有軌電車的正常牽引需求提供足夠的動力。

在當今塵世有軌電車技術的發展與普及中，有軌電車再次失效故障越來越引人重視，要想有效避免該故障的發生，良好的儲能技術應用才是關鍵。而在當今的國際范圍內，通過超級電容應用技術來解決該問題已經成為了一項幾乎得到一致認定的方法，將超級電容和大功率靜止變流開關之間進行有機結合，可以讓機動車能量的儲存變得更加便利，并在其加速和啟動過程中再一次為其提供足夠的能量，以此來有效緩解有軌電車啟動給供電系統帶來的沖擊負荷，實現供電系統可靠性和穩定性的進一步提升，讓再次失效故障得以有效避免[1]。

2 有軌電車中超級電容應用的關鍵技術分析

將超級電容應用到有軌電車的運行中，需要重點研究的技術就是超級電容和燃料電池或者是接觸網之間進行混合充電的關鍵技術。這就涉及到了混合充電系統以及混合充電系統的管理，同時也涉及到了超級電容的充電裝置以及超級電容的系統開發。

2.1 混合動力電源管理技術

在對無觸網形式有軌電車進行供電的過程中，混合供電技術最為典型，在該技術的具體應用中，除了接觸網之外，還需要和車載電池之間組成一個混合型的動力系統。有軌電車最常用的車載電池包括蓄電池、燃料電池和超級電容，這些電池都有著各自的特點。下面是對有軌電車中幾種典型車載電池特點的總結：

2.1.1 氫燃料電池：其優點是效率高，無污染，可循環利用;缺點是成本高，存在爆炸風險，氫氣來源有限。

2.2.2 鋰電池：其優點是能量大，電壓高，高功率承受能力強，使用壽命長;缺點是能量密度低，一致性差，穩定性和精準性不易控制。

2.2.3 超級電容：其優點是效率高，放電效率快，充電速度快，使用壽命長;缺點是安全電壓比較低，安全性比較難控制

在有軌電車中，超級電容應用的一個核心問題就是混合動力有軌電車能源管理技術的廣泛應用。在混合動力系統的具體應用過程中，可以借助于主控單元來進行有軌電車中控制裝置信號的接收，以此來實現對啟動信號、勻速信號、加速信號、減速信號以及制動信號的判斷。在該系統的運行過程中，燃料電池主要用來為有軌電車勻速行駛過程中的牽引系統及其輔助系統提供足夠的電能，超級電容主要用來為有軌電車加速階段或者是啟動階段提供足夠的電能，以此來滿足其牽引力需求，同時，當有軌電車處于制動階段的情況下，系統也將會回收其牽引力能量[2]。具體應用中，燃料電池和超級電容都會借助于自身的雙向直流斬波器給相應的系統提供電能，

在有軌電車的混合動力系統運行過程中，可以按照有軌電車在啟動、勻速、加速以及制動等各種狀態之下的實際特征來進行燃料電池、蓄電池以及超級電池的控制，使其為有軌電車的牽引提供出足夠的電能，讓超級電容功率特性和能量方面的問題得到有效解決，讓各個儲能部件之間達到一種良好的互補關系。燃料電池以及動力電池之間有著相互冗余的關系，如果其中的一種電池出現故障，另一種電池可替代其繼續為有軌電車提供電能，以此來保障有軌電車的穩定運行。

2.2 快速充電技術

因為超級電容遠遠達不到蓄電池的能量密度，所以一次充電之后的儲能也十分有限。有軌電車的運行距離比較短，通常在2公里左右，因此為滿足超級電容的充電需求，就需要在每一個車站進行快速充電裝置的設置，通過到站充電的形式來補充電能，以此來為有軌電車的運行提供足夠動力。因此，就目前的情況來看，通過相應的充電系統或者是充電裝置來進行超級電容的快速充電是一項需要進一步研究的關鍵技術。

將超級電容應用到有軌電車中，通過車站停車充電的形式來快速充電，并通過車載形式的超級電容為有軌電車的運行提供牽引所需能量[3]。在超級電容的具體應用中，可以將整套的直流充電裝置設置到每一個車站，其具體要求應滿足以下幾點：

第一，直流充電裝置的充電時間應該控制在30秒以下。

第二，直流充電裝置的連續充電電流應該控制在1500-2400A之間;

第三，直流充電裝置的輸出電壓變化范圍應該控制在400-900V之間。

同時，在直流充電裝置的設置過程中，也需要進行超級電容充電曲線的配置。超級電容儲存形式的有軌電車充電裝置屬于一種直流充電的裝置，其輸入可以是直流電，也可以是交流電，在當今，用來為超級電容形式有軌電車快速充電的裝置大多為高壓交流供電。

在這個充電設備中，主要的組成部分是充電裝置柜、整流變壓器、主控制系統、輸出隔離柜以及車輛位置檢測裝置。借助于整流變壓器，可以將高壓輸電網提供的電壓轉化為與該充電裝置柜相適應的輸入電壓;借助于充電裝置柜，可以將來自于整流變壓器的電壓轉化為與有軌電車中超級電容裝置需求相符的充電公路或者是充電電流;借助于輸出隔離柜，可以將來自于充電裝置管中的公路或者是電流輸出到有軌電車中，同時也可以實現有軌電車上行充電以及下行充電之間的轉換;借助于主控制系統，可以實現以上各個裝置與有軌電車位置監測裝置之間的信號連接以及通信目標，以此來實現充電啟動和停止的控制，同時也可以對有軌電車中超級電容儲存裝置實際的狀態信息進行采集，以此來實現充電功率或電流的合理調整。在主控制系統中，主要的組成部分有主控板和可編程的邏輯控制器PLC，借助于主控板，可以對有軌電車具體的位置信息以及其中的超級電容儲存裝置具體狀態信息進行采集和計算，其計算結果將通過PLC直接輸送給隔離柜，以此來實現有軌電車中超級電容充電開啟和關閉信號的傳遞。

通過該充電系統裝置的應用，可以有效解決車載超級電容儲存方面的問題，保障超級電容的使用質量，使其為有軌電車提供出足以滿足其牽引需求的電能。但是就目前的超級電容形式有軌電車充電系統來看，諧波問題、噪聲問題以及充電效率問題都需要進一步的改進與優化。

有軌電車已經成為當今城市的一種重要交通設施，而將超級電容應用到有軌電車中，不僅可以提升有軌電車的運行效率，同時也可以保障有軌電車的安全穩定運行。在超級電容的應用過程中，需重點加強混合動力電源管理技術和快速充電技術的研究，以此來實現超級電容形式有軌電車的良好應用與發展。

參考文獻：

[1]嚴蘭，任曉剛，朱唯耀， 等.淮安市超級電容現代有軌電車技術研究[J].城市軌道交通研究，2018（5）：143-147.

[2]田煒，常鵬飛，潘文霞.有軌電車超級電容的充電方式轉換技術研究[J].電力工程技術，2018（3）：102-106.

[3]趙芳.一種有軌電車超級電容儲能牽引系統的設計[J].上海電機學院學報，2018（4）：53-57.