城市轨道交通车辆储能技术简析

蔡政　李臣

摘要：城市轨道交通作为城市交通运输的主要方式，在提高了城市发展节奏的同时，也消耗了巨大的能量。所以在城市轨道交通中，储能技术不但能够减少能源的消耗，同时还能够使车辆运行状态更加平稳，对城市轨道交通的发展具有非常重要的意义。本文对城市轨道交通车俩储能技术进行探究，为城市轨道交通的发展提供参考。

关键词：城市轨道交通;车辆;储能技术

城市轨道交通区别于长距离的轨道交通，由于车站间距短，运行密度高，所以在车辆的频繁制动过程中，会损失大量的能量，如何将这些能量收集起来，避免能量的损耗是目前城市轨道交通研究的重要课题。尤其是近些年，随着轨道交通技术的不断进步，列车的速度也越来越快，如何进行列车制动能量的储存和电力的转换，成为了关注的要点。本文对城市轨道交通的三种储能技术进行分析，从而找到性能最佳的储能方式。

一、城市轨道交通车辆储能技术

（一）锂电池储能技术

城市轨道交通储能技术之一就是锂电池储能，很多人对于锂电池都不陌生，作为电能储存最为常用的形式，也可以应用于轨道交通车辆的储能之中。锂电池是通常是以锂合金的氧化物作为电池的正极，而石墨材料作为电池的负极。通过在电池中加入电解质溶液，制作完成的电池。锂电池具有很多优点，例如储能稳定，能量存储密度高，自身的放电率低，使用过程中维护简单等优秀性能。除此之外，由于技术成熟，所以锂电池的成本很低，成为了城市轨道交通储能技术研究的重点方向。

（二）飞轮储能技术

飞轮储能技术也是当前比较热门的几点能量能量转换研究方向。通过将能量转换为飞轮的机械能进行存储。由于技术的发展，新材料的出现给飞轮储能技术带来了更为广阔的研究空间。通过对干强度碳纤维复合材料和电力电子技术、磁悬浮技术的运用，使飞轮装置的储能性能更加强大[1]。在飞轮储能装置中，通过将飞轮与同步电机相连，通过调整飞轮的转速来达到充电和放电的目的。在充电过程中，电机带动飞轮转动，将电能转换为机械能储存在飞轮装置中，在放电时，通过飞轮的旋转带动电机转动，将机械能准华为电能释放出来。所以在飞轮储能技术中，飞轮的轴承材料性能直接影响飞轮的使用寿命和电能转化效率。目前我国飞轮储能技术应用的是磁悬浮技术，可以有效减少轴承的摩擦，降低能量损失。但是和锂电池技术相比，飞轮装置占用空间大，所以只能用于地面储能，无法进行车载。而且飞轮在储能过车中具有非常巨大的机械能，对车辆运行的安全产生影响。

（三）超级电容器储能技术

超级电容器储能技术一种新的储能技术，结余电池和传统电容之间，通过双电层和氧化还原电容电荷进行能连的存储。但是在储能过程中并并存在化学反应，而是通过极化电解质实现能量转换。超级电容具有很好的使用性能，首先使用寿命长，能够一定程度节约成本。超级电容的工作原理是：在电容两极通电后，电容溶液中的阴阳离子分别移动到电容的正负两极，从而在电容的表面形成双电层。切断供电后，电容电极上的正负电荷与溶液中的电荷离子相互吸引形成了稳定的双电层。在这个状态时，就完成了能量的存储，如果将电容接入电路，电极上的电荷就会移动从而产生电流，完成放电过程中，指导电荷回到正常状态[2]。

二、城市轨道交通车辆储能的技术比较

通过对三种储能技术的比较，飞轮储能技术在能量密度和功率方面表现的非常好，而且使用过程中循环寿命相对较长。但是飞轮储能技术有着一个非常致命的缺点，就是在使用过程中安全性能得不到保障，飞轮储能装置在能量储存状态中，会变得非常不稳定，一旦发生故障，巨大的机械能就会引发爆炸，从而出现安全事故，所以这一储能方式不能安装在车辆中[3]。虽然随着技术的进步，应用了性能更好的材料，并且采用磁悬浮和真空技术进行安全保护，但是依然无法保证其运行的绝对安全。而且飞轮装置的工作原理导致其体积大、重量高，所以无法搭载到车辆上，目前应用并不是很广泛。

飞轮储能技术因为其安全性，不做比较。针对锂电池储能技术和超级电容技术进行对比。超级电容的寿命要比锂电池具有更长的使用寿命，大约是锂电池的一千倍左右。而且功率超过锂电池，大约是锂电池的十倍左右。而锂电池的优点为，在相同的储能情况下，锂电池具有更小的体积，锂电池的储能密度大约是超级电容的十五倍[4]。所以对于安装空间有要求的情况下，锂电池更加适合投入使用。在自放电方面，锂电池性能也要高于超级电容。锂电池的成本和超级电容相差无几，基本可以不做比较。再最快放电速度方面，超级电容具有非常明显的优势。超级电容能在几毫秒到几秒之间完成放电，而锂电池放电需要数十秒到数小时之间。由于城市轨道交通的特点，列车停靠的时间通常为45秒左右，所以超级电容具有更大的优势。

通过对比我们会发现，在实际的应用上，锂电池和超级电容都更具优势，而且二者在优势上有着非常明显的互补性。所以，在实际的使用过程中，完全可以将超级电容和锂电池进行组合使用，通过这种储能机制可以充分利用二者的优点，超级电容放电快，可以在为列車启动时提供巨大的电流，而锂电池储能能力强，可以将大量的能量储存起来，方式能量过载导致浪费。而处于安全性的考虑，飞轮技术很少应用在具体的实践中[5]。表3为三种电容优缺点的对比情况：

结束语

综上所述，在城市轨道交通储能技术中，锂电池和超级电容器的组合模式是最佳的方案。通过二者的组合能够形成更加稳定和高效的储能放电装置，为城市轨道交通制动能量的收集储存和释放提供更好的使用效果。而且能够实现车载储能。

参考文献

[1]胡志强，游谭.城市轨道交通车辆储能技术研究[J].科学技术创新，2019（6）.

[2]李志慧.城市轨道交通牵引供电系统再生能量吸收技术的发展与选择[J].城市轨道交通研究，2018（6）.

[3]曹成琦，王欣，秦斌，etal.基于车载超级电容储能系统在城市轨道交通的应用研究[J].电工电气，2017（1）：9-12.

[4]刘红兵.基于CAN现场总线城市轨道交通超级电容储能控制系统的研究[J].电子测试，2019（4）：84-85.

[5]黄科元，钟树人，张其松，etal.最优能量分配策略在城市轨道交通中的应用[J].电力电子技术，2019（8）.