能量型超级电容器车载储能系统的研制与应用浅析

张国红 马晓霆 刘陆洲

摘要：介绍了城市轨道交通有轨电车车载储能系统的几种装置类型，重点对各类储能系统的工作原理、相关的应用案例进行了介绍。对一种能量型超级电容器的车载储能系统的原理及应用进行了分析介绍。

关键词：城市轨道交通、有轨电车;能量型超级电容器、车载储能系统

1 概述

新型城镇化和公交优先发展战略下，有轨电车以其节能环保、安全快捷等优势，在国内的发展和应用速度越来越快，并开始从一线城市向省会城市再向三四线城市发展。目前已有90多个城市规划了现代有轨电车线路，且有轨电车线路规划城市仍在持续增加，远期总规划里程已超过10000公里。

由于城市景观的需要或共享路权的平交道口，有轨电车线路往往存在部分的无电区或者全线无架空接触网供电的情况。在无电区或无架空接触网运行的区段，需要有轨电车配置车载储能系统，以实现有轨电车在上述线路区间运行。

随着城市有轨电车的发展规划，有轨电车用车载储能系统的研究与应用也成为城市轨道交通领域的一个重要研究方向。

2 车载储能系统分类

目前有轨电车车载储能系统根据有轨电车的线路供电情况可分为两大类，一类是区间部分无架空接触网型，一类是全线无无架空接触网型。其中区间部分无架空接触网型对车载储能量较低，多使用双电层超级电容器或能量型超级电容器（能量密度较高的赝电容、混合型超級电容器、电池型超级电容的统称）作为车载储能系统的储能元件，同时需要车载储能系统配备车载DC/DC，以便于列车在有电区充电，并在无电区稳定车载储能的输出电压。全线无架空接触网型对车载储能量要求较高，同时要求地面站点配置充电桩以满足车辆到站充电的需求。根据车载储能元件的划分，全线无架空接触网型可分为能量型超级电容器储能、电池储能和能量型超级电容器+电池储能（下文称电电混合储能）三种方式。目前国内全线无架空接触网能量型超级电容储能型应用案例应用较多。

2.1 区间部分无架空接触网应用

区间无架空接触网型线路无电区较短时，对车载储电量要求较低，无电区间多为在平交道口，需驱动距离仅有几百米。对于此类需要频繁充放电且蓄电量需求低的工况，使用传统的双电层超级电容器即可满足使用要求。对于无电区区段较长甚至部分站区间没有接触网只能隔站接触网补充电能的线路，只有使用能量密度更高的能量型超级电容器才能满足储电量和使用寿命的要求。

有轨电车应用于区间部分无架空接触网线路时需要配置车载DC/DC变流器，在进无电区前由车载DC/DC变流器将电量补充满，同时车辆在进入无电区后降速行驶，降低功率保障列车安全通过无电区。

传统的双电层超级电容器的能量密度仅为6Wh/kg。为尽可能保障列车在无电区的用电，还需同时兼顾车载再生制动能量的回收，该类型的整车的控制策略较为复杂。有限的储电量也限制了此类车载储能系统的发展与应用。

目前使用双电层超级电容器储能的有轨电车区间无架空接触网线路有沈阳浑南的70%和100%低地板有轨电车、珠海有轨电车、北京西郊线等。以沈阳的浑南有轨电车为例，车辆配置了125V/63F和48V/165F的双电层超级电容器，整车可用电量仅为1.6kWh。

目前使用能量型超级电容器储能的区间无架空接触网线路间有本文介绍的北京地铁亦庄线等有轨电车线路。亦庄线采用的能量型超级电容器的能量密度可达26Wh/kg，整车配电量20kWh，可实现隔站充电。

2.2 全线无架空接触网应用

随着车载储能元器件能量密度的升高以及地面充电桩技术的发展，有轨电车全线无架空接触网的方式已得到实现。根据车载储系统的储电能力和续航里程，运营线路可分别采用站站充电、隔站充电以及终点充电方式配置充电装置。

终点充电方式要求车载的储能元件能量密度高，续航里程长，目前仅电池型储能能满足其续航能力。但由于现阶段锂电池循环寿命普遍较短，功率密度低，循环寿命突出的钛酸锂电池平均期望寿命也仅有2万次充放电循环，因此电池型储能及终点充电方式尚未得到普及。

高能量密度的超级电容的问世，使得有轨电车站站充电、隔站充电的方式得以发展普及，能量型超级电容器以及电电混合储能的方式，是目前全线无架空接触网线路的车载储能系统最常见的储能方式。

2.2.1能量型超级电容器车载储能系统

车载储能系统使用能量型超级电容器，匹配超级电容管理系统后，可将电容器串联至车载变流器额定工作电压，直接驱动车辆的变流器用于牵引或辅助工作。应用于全线无架空接触网模式时，使用能量型超级电容器的车载储能系统无需配置车载DC/DC变流器，车辆到站后由地面的充电装置对车载储能系统进行充电。

能量型超级电容主要包括赝电容、混合型超级电容器、电池型超级电容器。该类型电容器性能介于锂电池和双电层超级电容器之间。目前主流的能量型超级电器能量密度可达18～50Wh/kg，已接近钛酸锂电池的80Wh/kg。

目前使用能量型超级电容器储能系统的全线无架空接触网线路有南京麒麟、南京河西、红河州等。以南京的麒麟走廊有轨电车为例，车辆配置了能量密度为25.2Wh/kg的赝电容，在连续两站能耗较小的区间可以实现隔站充电。

2.2.2电电混合车载储能

为了满足车辆储能量及功率的需求，使用两种及以上储电元件共同为有轨电车提供能量也是可行性较高的方法。国内已有多个使用赝电容和混合型超级电容器、 电池和超级电容器、赝电容和双电层超级电容的案例

电电混合车载储能系统一般也需要配置车载DC/DC变流器，用于低电压储能单元部分的充放电管理。以电池和能量型超级电容混合的系统为例，系统中能量型超级电容器串联至系统额定工作电压，可直接用于驱动车载变流器。电池部分可串联工作电压较低，需经过DC/DC升压后再与能量型超级电容共同为车辆提供能量。系统运行时，通过适当的能量管理策略，可实现由功率密度高的超级电容部分输出瞬时大功率，用于吸收短时的再生制动和大级位牵引时所需的功率，由能量密度较高的蓄电池或赝电容提供长时间续航的能量，实现优势互补。

该类型主接线示意如下图所示。

具体应用方面，广州海珠线、江苏淮安线、深圳龙华线的车载储能系统使用赝电容和双电层超级电容器;青海德令哈有轨电车的车载储能系统使用混合型超级电容器和钛酸锂电池;佛山有轨电车曾使用氢燃料电池+钛酸锂电池+超级电容三种混合储能的车载储能系统。

3 能量型车载超级电容储能系统的研制应用

本文研究了一种针对区间部分无架空接触网的能量型超级电容车载储能系统，具体应用对象为有600m（无电区段最长499.7m，增加100m裕量，按600m计算）无电区的亦庄新城现代有轨电车T1线，列车为5模块编组。

该低地板有轨电车车辆的基本配置为5辆车编组，整列车采用2动1拖2悬浮的动力编组型式：Mc1-F1-Tp-F2-Mc2（其中Mc：带司机室动车，Tp：拖车，F：悬浮车）。列车编组示意图如图1所示。

通过对既有的车载储能系统项目方案研究与对其实际运行中采集数据的分析，并结合客户对于车载储能系统的实际需求，进行亦庄线有轨电车车载储能系统的研发，为满足实际工况供电需求，通过仿真软件计算线路所需电量，从而尽可能合理的配置储能系统的电量;电容模组易发热且客户对于系统防护等级有较高要求，所以通过计算分析为系统设计了一套车载空调器;在系统各部分设计完成后进行样机组装并调试运行。

3.1储电量需求牵引计算分析

车载储能系统的输出电压电流特性应满足车辆在无网区的牵引、辅助等整车用电需求。车辆牵引系统和辅助系统技术参数及性能如下：

（1）无网区车辆限速30km/h运行，牵引系统整车功率限制值200kW（暫定）

（2）车辆整车辅助用电按60kVA进行核算。其中DC24V功率10kW，单相交流功率5kW，空调制冷额定功率45kW。空调减载模式功率24kW，通风模式功率1.6kW。

容量满足在无网区段遇到拥堵情况下，前3min内辅助系统满负荷运装，3-10min内辅助系统减半运装，10-30min内通风系统减半运转，30min后辅助系统停止工作，待交通恢复后（暂定为辅助系统停止工作2h以内），满足列车在线路最大坡道（60‰）上启停3次，且可运行至最近的有电区（无电区段最长600m）。容量配置满足北京夏天炎热天气、冬天寒冷天气、全线运营过程中空调不间断运行要求。

车辆整车辅助用电按60kVA进行核算。其中DC24V功率10kW，单相交流功率5kW，空调制冷额定功率45kW。空调减载模式功率24kW，通风模式功率1.6kW。可知堵车30分钟所消耗的能量约为Ws=（60*3+39*7+11.6*20）/60=11.42kWh。

目前耗电量最大的区间为六环路及新凤河桥路口的上行，累计能耗为3.47kWh。

在最恶劣的启动工况下，在60‰的坡道三次启动，按照每次启动运行20m计算，单次启动能耗约为0.5kWh。三次启动累计能耗约为1.5kWh。

综合考虑无电区的三个要求，线路最严苛的能耗为11.42+3.47+1.5=16.39kWh，按照超级电容容量衰减0.85计算，电容容量至少需要19.28kWh。

3.2系统设计与构成

为了能够同时满足车辆功率和能量需求，使用一种能量型超级电容进行配置，并根据车辆提供的空间条件进行配置，能够满足其功率和能量需求，同时兼顾储能介质的循环寿命。

选用一种166V/454F能量型超级电容模组，整车共配置两套系统，单套系统由模组3串4并组成500V606F超级电容系统。电容组在满充电条件下，以有效电量（考虑85%衰减）为10.08kWh，车载超级电容的储能容量为20.16kWh。单套系统关键参数如下：

考虑气候条件与模组使用条件，储能采用空调为恒温系统提供冷却（或加热）的空气，空调采用内、外机一体化设计，做成独立的箱体与电容箱拼接而成，结构紧凑，安装方便;空调的室内机与电容箱相通，形成相对密闭的环境，隔绝了外界水汽，解决了冷凝水的问题;空调的使用，使超级电容的环境温度是可调节的，通过温度控制系统，能使超级电容在最佳的温度范围内工作，提高了超级电容的性能和寿命。

空调风冷系统工作原理图如图1所示，室内机与电容箱连接，形成密闭腔，在蒸发风机的作用下，空气在密闭腔内循环，室外机与外界空气进行外循环，根据外环境温度及车辆工作情况，其工作模式有如下三种：

1、制冷模式：空调制冷工作，空气气流分为外循环和内循环两部分。内循环为在超级电容箱右侧的蒸发风机（2）抽风作用下，空气经过空调蒸发器（3）冷却，冷空气经过模组风道后被加热，热空气被吸入蒸发风机后，通过模组上部风道，回流到空调内机蒸发器前，完成一个散热内循环。外循环为空调冷凝风机（6）工作，外部空气流过空调冷凝器（5）带走冷凝器热量后，从冷凝风机上方流出。

2、加热模式：加热模式在冬季机车启动时使用，空调电加热模块（4）工作，在蒸发风机带动下空气进行内循环。此时，没有空气外循环。

3、均衡模式：均衡模式在超级电容模组发热量小而外界温度较低的情况下使用，空调不需要制冷，只需启动蒸发风机，进行空气内循环，将模组内部热量散发出来即可。

储能系统的整体构成如下图所示：

箱体采用铝合金板蒙皮铆接，由电气箱、模组箱、空调箱三部分拼接而成。电气箱内有高低压组件，高压组件主要由高压元器件、铜排及安装板等组成，通过螺栓等紧固件与箱体底部蒙皮连接;低压组件由主控板组件、绝缘检测模块及端子排组件等组成，安装在可翻转的安装面板上。模组箱内装有电容模组、烟雾传感器及涡流风机等。空调箱内为空调系统组件，由蒸发器、冷凝器、压缩机及管路等部件组成。

3.3设备现场应用

目前按照上述所提及的方案设计的储能系统已经投入运营，能量满足线路工况的需求，模组工作状态正常无频发故障。

4 总结

能量型超级电容器由于其较高的功率密度、能量密度及循环寿命，与有轨电车启动制动频繁，启动制动功率大，且储电量要求高的工况特点相吻合，目前占据着有轨电车较大的市场份额。随着超级电容器及其管理技术的快速发展，能量型车载超级电容储能装置在国内也即将出台国家标准，储能式有轨电车的使用应用将更加的规范。

本文分析了有轨电车车载储能系统的应用现状，根据其供电方式进行了分类介绍，并详细介绍了一种能量型超级电容器的车载超级电容储能系统。结合牵引仿真计算及实际列车运行对比验证。

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