浅谈城市轨道交通车辆储能技术

周云霞 葛跃庭

简要论述了当前城市轨道交通车辆通用的电池组、飞轮及超级电容等储能技术。通过分析比较三种储能方式的优劣势，证明超级电容性价比较高。又详细分析了超级电容的两种模式，即车载模式与地面模式，进一步推断出超级电容车载模式的可行性。

城市轨道交通车辆;储能技术;超级电容

引言：

城市轨道交通为频发性的短距离运输，通过高强度的运动产生强大的制动能量。随着技术的发展，车辆运行速度得到了大幅度提升，如何完善列车制动能量的储存也变得愈来重要。当前我国城市轨道轨道交通车辆较为普遍的三种储能技术分别是电池储能、飞轮储能及超级电容储能，本文通过对三种储能技术的详细对比，指出超级电容的优越性。

一、城市轨道交通车辆储能技术

（一）锂电池储能技术

锂电池作为一种常见的储能手段，具有储存能量密度高、能量流失率低、充放电方式简单高效、性价比较高等优点。当前，使用锂离子电池进行储能仍是国内外十分流行的一种储能手段。

（二）飞轮储能技术

飞轮储能利用机电能量转化装置，通过飞轮的机械动能完成储存。随着高强度碳素纤维复合材料、电力电子技术、磁浮技术的飞跃发展，飞轮储能技术也得到了进一步完善。

飞轮储能的工作原理是通过储能变流器连接直流电网装置。其系统内部主要构件有飞轮转子、轴承、发电机及真空容器等。以轴承为连接枢纽，将飞轮与同步电机相连，通过飞轮高强度的运转完成充放电工作：充电时，电能通过储能变流器实现电机运转，电机为飞轮转动提供所需能量，飞轮通过机械动能的方式实现能量的储存;放电时，飞轮通过高强度的运转为电机提供运作能量，以电机为能量运输途径，向直流电网输送电能，这也是一个将动能转化为电能，再由电能释放能量的过程。不过受限于当前技术，飞轮储能技术在城市轨道交通车辆的应用仅局限于地面模式，车在模式尚未有过先例。

（三）超级电容储能技术

超级电容实现了电池与电容技术的结合，作为一种特殊的储能方式，超级电容通过双电层和氧化还原电容电荷实现对能量的储存，整个储能活动相对稳定，具有使用寿命长、充放电简单高效等优点。

超级电容器也称双电层电容器，是电极通过离子或电子的定向排列造成电荷对峙而产生。当前较为常见的三种超级电容器有双电层电容器、混合水系电容器和锂离子电容器，从性价比层面而言（详见表1），双电层电容器是城市轨道交通车辆储能系统的首选。

（三）三種储能技术性能的比较

将锂电池、飞轮、超级电容等三种储能技术的性能进行比较。可得知，在能量储存密度、功率密度及使用寿命方面，飞轮储能要优于其他两类。但在遇到突发性障碍时（如过载），极易出现爆炸状况;另外，飞轮储能的电能自然流失率也十分高，考虑到安全及其他因素，飞轮储能技术在城市轨道交通中的应用并不普遍。

相较于锂电池储能方式，超级电容具有循环寿命长、功率密度大等优点。比起超级电容，锂电池的能量密度大，可以更小的体积容纳与超级电容相等的能量，从表2中可得知，锂电池的储能密度几乎达到了超级电容的倍之多，满足了一些对储能装置占用空间要求较高的工程;此外，锂电池能量自然流失率低，自然放电率仅为0.1%～0.3%，而超级电容的能量自然流失率则为20%～40%。

在经济花费层面，锂电池与超级电容基本相当。而从放电速度方面考虑，锂电池不如超级电容。但实际上，地铁车辆对于放电时间的长短并无严格要求，一般城市内列车的停站时间接近45s左右，这个时间满足了锂电池对放电时间的要求。

在性能方面，锂电池与超级电容各具优劣势。因此，将锂电池与超级电容进行串并联组来实现能量的储存也不失为一种有效的储能手段。将超级电容的大功率密度与锂电池的大能量密度相结合，利用锂电池扩充储存能量，完善超级电容能量密度低的不足，以此提高储能的效率;将超级电容器上可随意转化电流冲击安装于锂电池组之上，以提高锂电池的使用寿命。

当前，超级电容储能是城市轨道交通车辆普遍使用的一种储能方式，无论是在车载式还是地面式都有应用。超级电容在一些通过架线实现发电的轨道交通车辆的应用，有效减少了能源的浪费，是一种有效的节能手段。就目前而言，超级电容储能方式较为集中的问题有以下几点：首先是能源消耗大;其次是线上峰值功率有待优化;最后则是线压稳定性不足。

比起地面模式，车载模式具备以下两点优势：一是解决了能量在地面传输过程造成大量损耗的问题;二是灵活性更强。

如何有效实现三种储能方式在城市轨道交通车辆的应用，一直以来都是学术界亟待解决的问题之一。就储能性能而言，锂电池能够以相等的体积储存更多的能量，放点电压也较为稳定，但不足的是锂电池使用寿命较短，对放电时间有着一定要求，功率密度也相对较低。而飞轮储能在一定程度上解决了锂电池使用寿命较短的缺陷，放电时间也得到了大幅度提升，但是这种储能手段应变能力差，存在一定的安全隐患，而且装置占用空间大，并不适合小型轨道交通车辆的应用。而超级电容储能方式不仅具备长久的使用寿命、放电速度快，而且放电过程中电流稳定，安全性也高，唯一美中不足的是超级电容储存能量密度低。

二、结语

当前城市轨道交通车辆在选择储能方式时，不仅要参考储能装置质量、安全性、经济花费等，还要充分考虑到装置的体积大小、负载循环能力等。

地面式储能系统的最佳选择为超级电容储能和飞轮储能的方式，但出于安全方面的考虑，超级电容是当前地面式储能的主要储能方式。地面式储能系统在安装储能装置时，还要考虑到储能装置的体积大小问题，是否有足够的空间用于安装。

超级电容及锂电池是车載式储能系统常用到储能方式。就性价比而言，超级电容比锂电池的使用寿命更长，功率密度更高，是当前车载储能系统储能手段的最佳选择，应用也较为普遍。锂电池具有安装占地空间小的优势，但使用寿命短，在充放电时有较高的电流，因此这种储能方式在实际中的应用并不普遍。

参考文献

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