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(tǒng)的幾種裝置類型，重點對各類儲能系統(tǒng)的工作原理、相關(guān)的應(yīng)用案例進(jìn)行了介紹。對一種能量型超級電容器的車載儲能系統(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;能量型超級電容器、車載儲能系統(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，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城市再向三四線城市發(fā)展。目前已有90多個城市規(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)運行的區(qū)段，需要有軌電車配置車載儲能系統(tǒng)，以實現(xiàn)有軌電車在上述線路區(qū)間運行。

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

2 車載儲能系統(tǒng)分類

目前有軌電車車載儲能系統(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(tǒng)稱）作為車載儲能系統(tǒng)的儲能元件，同時需要車載儲能系統(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)定車載儲能的輸出電壓。全線無架空接觸網(wǎng)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(jù)車載儲能元件的劃分，全線無架空接觸網(wǎng)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(nèi)全線無架空接觸網(wǎng)能量型超級電容儲能型應(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，對車載儲電量要求較低，無電區(qū)間多為在平交道口，需驅(qū)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(tǒng)的雙電層超級電容器即可滿足使用要求。對于無電區(qū)區(qū)段較長甚至部分站區(qū)間沒有接觸網(wǎng)只能隔站接觸網(wǎng)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(yīng)用于區(qū)間部分無架空接觸網(wǎng)線路時需要配置車載DC/DC變流器，在進(jìn)無電區(qū)前由車載DC/DC變流器將電量補充滿，同時車輛在進(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(fù)雜。有限的儲電量也限制了此類車載儲能系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。

目前使用雙電層超級電容器儲能的有軌電車區(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(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電容器的能量密度可達(dá)26Wh/kg，整車配電量20kWh，可實現(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)的方式已得到實現(xiàn)。根據(jù)車載儲系統(tǒng)的儲電能力和續(xù)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(xù)航里程長，目前僅電池型儲能能滿足其續(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(fā)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(wǎng)線路的車載儲能系統(tǒng)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(tǒng)

車載儲能系統(tǒng)使用能量型超級電容器，匹配超級電容管理系統(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，使用能量型超級電容器的車載儲能系統(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車載儲能系統(tǒng)進(jìn)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(dá)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(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)間可以實現(xiàn)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)為例，系統(tǒng)中能量型超級電容器串聯(lián)至系統(tǒng)額定工作電壓，可直接用于驅(qū)動車載變流器。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電容共同為車輛提供能量。系統(tǒng)運行時，通過適當(dāng)?shù)哪芰抗芾聿呗裕蓪崿F(xiàn)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(xù)航的能量，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

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能系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。

3 能量型車載超級電容儲能系統(tǒng)的研制應(yīng)用

本文研究了一種針對區(qū)間部分無架空接觸網(wǎng)的能量型超級電容車載儲能系統(tǒng)，具體應(yīng)用對象為有600m（無電區(qū)段最長499.7m，增加100m裕量，按600m計算）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(xiàn)：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(tǒng)項目方案研究與對其實際運行中采集數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合客戶對于車載儲能系統(tǒng)的實際需求，進(jìn)行亦莊線有軌電車車載儲能系統(tǒng)的研發(fā)，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(tǒng)的電量;電容模組易發(fā)熱且客戶對于系統(tǒng)防護(hù)等級有較高要求，所以通過計算分析為系統(tǒng)設(shè)計了一套車載空調(diào)器;在系統(tǒng)各部分設(shè)計完成后進(jìn)行樣機組裝并調(diào)試運行。

3.1儲電量需求牽引計算分析

車載儲能系統(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)荷運裝，3-10min內(nèi)輔助系統(tǒng)減半運裝，10-30min內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)減半運轉(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，且可運行至最近的有電區(qū)（無電區(qū)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(diào)不間斷運行要求。

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。空調(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(qū)的三個要求，線路最嚴(yán)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(tǒng)設(shè)計與構(gòu)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(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，同時兼顧儲能介質(zhì)的循環(huán)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(tǒng)，單套系統(tǒng)由模組3串4并組成500V606F超級電容系統(tǒng)。電容組在滿充電條件下，以有效電量（考慮85%衰減）為10.08kWh，車載超級電容的儲能容量為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)、外機一體化設(shè)計，做成獨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)機與電容箱相通，形成相對密閉的環(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)，能使超級電容在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，提高了超級電容的性能和壽命。

空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，室內(nèi)機與電容箱連接，形成密閉腔，在蒸發(fā)風(fēng)機的作用下，空氣在密閉腔內(nèi)循環(huán)，室外機與外界空氣進(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)為在超級電容箱右側(cè)的蒸發(fā)風(fēng)機（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)機后，通過模組上部風(fēng)道，回流到空調(diào)內(nèi)機蒸發(fā)器前，完成一個散熱內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)為空調(diào)冷凝風(fēng)機（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(diào)電加熱模塊（4）工作，在蒸發(fā)風(fēng)機帶動下空氣進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。此時，沒有空氣外循環(huán)。

3、均衡模式：均衡模式在超級電容模組發(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，只需啟動蒸發(fā)風(fēng)機，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)機等?？照{(diào)箱內(nèi)為空調(diào)系統(tǒng)組件，由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機及管路等部件組成。

3.3設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用

目前按照上述所提及的方案設(shè)計的儲能系統(tǒng)已經(jīng)投入運營，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(jù)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(shù)的快速發(fā)展，能量型車載超級電容儲能裝置在國內(nèi)也即將出臺國家標(biāo)準(zhǔn)，儲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電容器的車載超級電容儲能系統(tǒng)。結(jié)合牽引仿真計算及實際列車運行對比驗證。

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