超级电容与轨道交通融合发展的现状与挑战

师瑞峰， 陈晓溪， 张 杰， 齐洪峰

(1.华北电力大学控制与计算机工程学院， 北京 102206； 2.国家能源交通融合发展研究院， 北京 102206； 3.中车工业研究院有限公司， 北京 100071)

随着大运量高速列车、新能源载运等技术与装备，以及地铁、轻轨、有轨电车等城市轨道交通的发展，能源供应成为热点问题。传统的有轨电车普遍采用接触网供电，受供电线路和储存能量的制约；同时能源利用效率不高也带来大量能量损失。因此，当前的发展重点基本集中于无接触网式现代有轨电车,如何解决能量存储与利用问题成为影响现代化城市轨道交通系统的主要因素。

目前，储能技术主要有物理储能、化学储能和电磁储能。其中化学储能可按照核心元件划分为传统蓄电池、可再生燃料电池和超级电容器等。因为超级电容器拥有使用寿命超长、充放电效率高、技术成熟等优点，使其与现代有轨电车具有良好的适配性。作为一种具有良好发展前景的电力储能装置，超级电容器已广泛地应用于电力、工业以及交通等领域，因此将其与轨道交通系统结合可以解决诸多储能问题。

在知网检索“超级电容器”后，由年发表量可以看出，自2000年开始，超级电容技术的发展与应用被更多领域关注并探索。于2016年热度达到一个高峰，此后稍减，2020年热度依旧不减并达到新的高度。在知网检索关键词“超级电容”与“交通”，可以看出针对交通领域中的超级电容应用，集中于超级电容器材料和城市轨道交通，在2013年的文献量最多。

一直以来，超级电容的研究方向着重于探索各种电极材料与工艺以实现更大的储能容量，扩展应用领域。随着研究和制造的发展，许多超级电容与轨道交通融合应用投入现实，希望能够带来新的储能用能形势，提升轨道交通性能。目前超级电容器与轨道交通系统融合应用主要发展为以下两个方向：一是作为能量储存器，它吸收车辆启动和制动过程中产生的能量，之后当车辆处于加速状态时将能量释放到供电系统中；二是作为稳压器，它总是处于高容量的状态，当供电系统的电压低于规定值时才开始放电。超级电容系统可以自动地转换这两种运行模式，以便适应各种运行要求。现先从轨道交通车辆本身入手，对作为常规储能与再生能量利用的超级电容应用现状进行概述，针对其中关键技术做出分析；其次，对于超级电容应用衍生出的热管理问题及其解决方案研究现状做出概述；最后，对于超级电容与轨道交通融合的发展趋势和可行性进行分析，做出未来研究展望。

1 超级电容储能技术在轨道交通机车车辆上的应用

超级电容器的容量很大，可达千法拉级别[1]。并且凭借其功率密度高、充放电速度快的特点在轨道交通领域应用广泛[2]。超级电容储能技术在轨道交通上的应用要考虑储能单元位置、牵引方式和服务频次。储能单元位置是指储能单元安装的位置，可以分为轨道旁和车载；服务频次指列车运营情况，可分为高和低；牵引方式分为电气化和非电气化。两两维度结合可以体现不同的指引方向。牵引方式和安装位置指方案，运行频次和安装位置指需求，运行频次和牵引方式表示经济性。8种场景如图1所示。根据不同的要求指引，超级电容器的应用方向和模式也各有不同。

图1 超级电容储能技术应用于轨道交通的场景图Fig.1 Scene diagram of super capacitor energy storage technology applied to rail transit

1.1 超级电容在城市轨道交通中常规储能

根据安装位置，超级电容储能系统可分为车载式和地面式/置地式两种[3-4]。地面式超级电容储能系统在西班牙的马德里、德国的波鸿、美国的波特兰等城市的轨道交通中均有相关应用[5-6]。

由蓄电池和超级电容器组成的装置称为混合储能系统，需要进行功率分配从而符合运行状态，达到预期目标。在城市轨道交通领域内，混合储能系统需要根据城轨列车的运行特性来输出指定的功率或电流[7-8]。Zhang等[9]提出了一种基于小波变换、神经网络和模糊逻辑相结合的实时能量管理控制策略,通过小波变换提取负载功率需求不同频率分量，再将得到的数据集离线训练神经网络模型，在线预测电池低频功率需求，并用基于模糊逻辑的监控控制器将超级电容电压控制在适当的范围内。Francesco等[10]提供了一个铁路用燃料电池-超级电容器动力的数值模拟模型，对能源、电力电子、传动系统等主要动力总成部件进行了详细分析。采用一种可使用两种控制策略的控制器，可以利用动力总成部件的特性，适当选择能源类型，并准确地管理电机。Yang等[11]提出了一种基于制动电压跟踪能量管理的储能系统充放电阈值电压调整策略，考虑了储能装置的荷电状态，以实现其回收制动能量的最大利用。混合储能装置储存容量可观，实际运用可靠性较高。在两个车站之间没有供电轨情况下，列车使用的混合储能系统采用反馈控制，通过合适的分配准则在超级电容器和制动电阻之间共享能量，从而达到能量回收最大化，保障列车安全运行至有供电地区[12-13]。超级电容在城市轨道交通行业中的典型应用如表1所示[10]。

超级电容由于其功率大，作为列车的二次能源储能是很好的选择，拥有巨大的应用价值和市场潜力[14]。高功率的特性能够使列车节省大部分再生能源，与此同时它的生命周期较长，大大降低了成本。经验证，在德国某轻轨车辆上应用超级电容器作为储能装置能够节约30%的能量[15]。日本中部铁路公司开发的测试案例也报告了类似的结果[16-17]。在意大利超级电容器应用的文献中也报道了仿真研究[18]。除了电动火车，超级电容器也被用于混合动力柴油-电力多单元车上。这些列车使用柴油发电机作为电力牵引系统，超级电容存储系统的运用能够使能耗得到显著的改善,同时减少和降低运营成本[19]。Destraz等[20]研究结果表明，虽然超级电容器的能量容量较低，但其使用寿命较长，从长远来看作为轨道交通的储能装置是有益的。

表1 超级电容器在城市轨道交通行业典型应用[10]Table 1 Typical applications of super capacitors in urban rail transit industry[10]

1.2 超级电容在城市轨道交通中再生储能

超级电容在用于列车牵引系统储能装置中作为常规储能元件时，维持车辆在启动和制动时的电压稳定。当它用于制动能量再升装置时，主要起到吸收制动能量，减少制动系统内因电阻发热而产生的温升，保护车辆的作用；同时在列车启动时又可释放能量，循环利用，节能环保。

既有的高速铁路再生制动能利用方式通常有两种。一种是通过优化列车运行状态，使同一供电臂下制动列车产生的再生制动能供给牵引列车使用；另一种是通过回馈装置将再生制动能反馈至铁路内部配电系统，供用电设备消耗。这两种利用方式虽然使再生制动能得到利用，但都存在不足，前者利用率低且灵活性差，后者反馈的再生制动能中含有大量谐波与负序分量，对用电设备容易造成影响。

而超级电容器的引入可以较好地弥补这些不足。超级电容吸收并储存制动能量提高了再生能量的使用效率，可有效地避免牵引网电压上升引起列车波动[21]。在列车不同运行状态下，超级电容器有相应的充放电状态，对其进行不同的控制策略，即可实现再生制动能量的存储与降低网侧负序电流的功能，能量状态转换如图2所示[22]。

反映到超级电容储能系统上，即变频调速系统中的直流母线电压反映了负载功率的变化；电压稳定在一定范围，超级电容不工作，能量不释放也不吸收；电压下降到一定范围，负载功率增加，需要能量系统释放能量支持峰值功率；能量上升到一定范围，负载功率为负，产生制动能量，超级电容吸收能量并储存[23]。双向直流-直流(DC-DC)变换器起到了很大的作用，它在列车制动时便会自动进入充电状态，将再生制动能量储存到超级电容组中，有效控制牵引网产生的电压，防止牵引网电压过大而引起列车波动[24]。

黄文勋等[25]提出一种运用1 500 V供电制式的超级电容储能方案，实现城市轨道交通列车再生制动能量吸收利用的目的。其中将列车的牵引、制动特性曲线分为自然特性区域(固有机械特性)、恒功率区域和恒转矩区域 3 个区域，如图3所示。以该城市轨道交通直流牵引供电系统为基础建立仿真模型，并以某城市1号线的数据进行仿真。数据证明这种使用超级电容吸收再生能量装置的列车可达到中国轨道交通技术发展的需要和国家节能减排的要求。

Pα、Pβ分别为α、β供电臂负载功率；PE、Pe分别为超级电容存储的功率和额定功率；功率大于 0 表示牵引状态，功率小于 0 表示制动状态图2 能量状态转换图[22]Fig.2 Energy state transition diagram[22]

M为转矩；V为速度；t为时间图3 列车时间与速度、转矩曲线图[25]Fig.3 Train time with speed, torque curve of pre-charge circuit[25]

实际使用的混合储能吸收再生能量系统中，合理地预充电电路对整个电气系统的安全可靠运行至关重要，根据安全性原则，需分别给超级电容器组与钛酸锂电池组设计单独的预充电回路，预充电回路工作的原理如图4所示[26]。超级电容器和电池组通过预充电电路吸收再生能量，实现循环利用的目的。

实际的超级电容储能装置在牵引系统和主电路中的使用示意图如图5所示。当列车处于牵引工况时，超级电容器发挥储能功能，供正常运行和车上其他用能设备使用；当列车处于电制动工况时，超级电容器发挥吸收能量功能，吸收制动产出能量并储存；当列车处于充放电工况时，超级电容器在指定区域和时间进行充放电操作。在这3种工况下，超级电容器在牵引电路中分别起到了不同的作用，完成不同的任务[27]。列车单次制动产生的能量远超过超级电容单体的承受能力，在实际应用中需将多个单体串并联使用，以满足储能容量和电压等级的需求。由此产生的电压不均的现象，需要对其进行均衡控制[28]。近些年，再生制动能量回收方式逐渐向两个方向靠拢：逆变回馈式和储能式。对于不同的列车运行状况，二者有各自的优势。针对超级电容储能系统的实际应用，靳守杰等[29]研究了空载电压波动对再生能量回收的影响，提出了运用充放电阈值动态调整控制策略。陈怀鑫等[30]基于小信号分析法分析了超级电容储能系统的运行稳定性，提出了电流反馈补偿虚拟并联电阻的方法，能改善城轨交通中超级电容应用的稳定性与可靠性。

L为储能电感；K1、K2为转换开关；R为预充电电阻；U为直流电源；VD为整流二极管图4 预充电电路简化工作原理图[26]Fig.4 Simplified working principle diagram[26]

在这些制动系统中引入了能量储存以提高其效率，这样可以将回收的能量储存起来，用于下次牵引操作。针对不同的交通工具，已有许多制动能量回收相关研究。文献[31]研究了一种以电机/发电机为执行器的制动系统，该系统可将能量最大限度地反馈给车载储能系统。文献[32]对应用于汽车上的制动能量回收系统开展了研究，仿真结果表明制动能量回收可以更有效地快速重启发动机。文献[33]提出了针对混合动力巴士的制动能量再生系统的最佳利用控制策略。文献[34-35]针对电动汽车提出了新型能量回馈系统及控制策略。文献[36]针对动车组提出一种多级功率控制的制动能量管理策略。文献[37]建立了多列车再生能量利用的协同控制模型，用于测算地铁系统在各节能控制策略下的总能耗。文献[38]通过分析南京S8线路某台逆变式再利用装置一年的节能性能数据，验证再生制动能量利用技术的优越性。文献[39]综述对比了基于各种形式的城铁制动能量回收技术，最终得出超级电容制动储能应用潜力巨大的结论。文献[40]提出基于超级电容器的储能牵引供电系统，可解决电气化铁路的负序问题。地铁可以使用车载超级电容器组进行自主运行，超级电容器组安装在每个站充电，加速时放电，减速时充电，这样就节约了能源。然而，安装在地铁中的超级电容器组会增加车辆的成本和复杂性[41]。在不同的交通条件下沿线安装固定式超级电容储能系统，需要考虑到系统尺寸和沿线分布密度对节能的影响。Barrero等[42]根据能量含量、电压变化、最大电流和功率损耗对于超级电容储能系统的配置给予了指导性建议，并通过一种功率流控制器来处理网络电压和储能系统荷电状态下的能量流。邓文豪等[43]基于北京地铁5号线的制动特性曲线与不同速度下反映到电网中的能量，提供了一种超级电容型储能系统的参数设计与控制策略，可有效维持电网中的能量稳定。

T为拖车模块；M为动车模块；Mc1、Mc2为带司机室的动车模块；HSCB为高速断路器；BR为桥式整流滤波器；KM1、KM2为接触器；M为电机；L1、L2为电感图5 牵引及主电路框图[27]Fig.5 Traction and main circuit block diagram[27]

2 轨道交通中运用超级电容热管理系统

超级电容在充放电过程中由于热效应会产生可逆热和不可逆热，现在研究的超级电容多为双电层电容，因此在分析时几乎不考虑法拉第效应，以不可逆的焦耳热为主要热源[44]。这些产热反应会使超级电容内部温度在短时间内迅速升高，当超过最大允许温度时，将严重影响其电气特性和使用寿命[45]，对车辆安全性和动力性造成不可忽视的影响。超级电容热管理系统愈加重要的同时面临更大挑战。

2.1 超级电容热行为

超级电容单体的工作温度和工作电压均有一定范围，大部分是-70～-40 ℃和0～2.7 V。过热、过压工作均会导致超级电容器散热异常无法正常使用，整体设备损坏[46]。同时，在列车运行过程中，频繁的充放电也使得超级电容器散热效果不佳。复杂的内部电路环境使得大规模储能系统中成百上千只超级电容器的电压电流严重失衡，产生能量损耗及温度上升，影响储能设备的性能和寿命[47]。因此对超级电容进行热管理降低其热行为能够充分解决利用率低的难题。

2.2 超级电容热管理

热管理系统可以是只采用车厢热源或环境热源而无额外能耗的被动形式，也可以是采用其他耗能方式提供热源的主动形式[48]。利用超级电容储能，需要考虑单个电容器之间存在的差异。每个电容器会存在内阻，接触电阻，以及由于彼此之间接触不良所引起的电阻，加之每个电容上的电压，以及它们之间流过的电流也存在差异，这些差异将会导致电容内部超温，电解液的泄漏等一系列问题，严重影响储能系统的寿命和安全，同样也由于超级电容器的性能问题，存在制动能量的流失，这都是目前技术发展的局限性[49]。

在储能式无轨电车上应用的超级电容器系统由许多超级电容模组构成，超级电容模组工况复杂，产生热量，影响自身寿命和列车性能。针对散热问题，基于目前使用的各种冷却方法，傅雪婷等[50]整理并提出多种热管理技术相辅相成的综合性热管理系统解决方法，并针对超级电容器热管理技术使用的不同场景进行了研究[51-52]。

Voicu等[53-54]对风冷式超级电容模块散热方式持续研究中。先是对超级电容器堆内部和周围在不同结构下的热传递做了讨论。为了确定在最经济布置方式下可提供的最大冷却性能的通风能力，搭建了仿真超级电容器温度的模型。之后给出了空气冷却超级电容器模块的热管理相关数据。

3 超级电容与轨道交通融合发展的趋势分析

3.1 超级电容与轨道交通融合发展的可行性

开展对储能回馈系统的研究，对中国科技发展具有一定的促进作用，而且能为后期储能装置国产化提供一定的理论借鉴，具有潜在的经济效益[55]。因此发展超级电容与轨道交通融合战略意义重大。

中国幅员辽阔，铁路网纵横交错，轨道交通系统发展迅猛，并且已建成适配各种气候、地形的完整轨道交通体系；城际间各类轻轨、地铁也同步飞速发展。在此基础上，针对轨道交通开展超级电容节能技术研究，具有很好的应用场景[56]。同时，中国正在大力支持超级电容器产业的发展，从产业链源头至市场出台了各项激励政策与举措，培养了市场急需人才[57]。图6是目前超级电容器发展现状的雷达图。可以看出，当前超级电容的产品寿命已达到应用要求；其性能和产品成熟度也具备很好的应用条件；但由于成本较高，因此很大程度上制约了超级电容的实际工业应用。

图6 超级电容应用于轨道交通可行性分析图Fig.6 The feasibility analysis diagram of super capacitors used in rail transit

3.2 超级电容与轨道交通融合发展路径建议

针对上述超级电容与轨道交通融合发展的可行性分析，梳理了超级电容技术与轨道交通融合的难点与发展的技术路径。表2分别从产业化、自主化、标准化和安全化等维度分析了超级电容应用于轨道交通系统存在的主要困难。图7从使能需求出发提出了超级电容与轨道交通融合发展的技术要求，进而给出了融合发展的趋势分析。

综上所述，中国超级电容与轨道交通融合发展的技术路径可详述如下。

(1)全面提升超级电容性能，拓宽其应用范围，构建完善的产业链。因为能量密度偏低的问题，超级电容器仍无法替代传统电池成为稳定的能量来源，降低了使用的可靠性，极大限制其应用领域的拓展。因而无法形成可以自行运转且不断完善的产业链，也无法形成促进产业发展的良性竞争环境。

表2 国内超级电容器当前发展重点Table 2 Current development focus of domestic super capacitor

图7 超级电容与轨道交通融合应用发展路径Fig.7 Development path of super capacitor and rail transit integration application

(2)尽快掌握核心技术，构建自主研发体系。超级电容器与新能源的融合发展已成为一种趋势，并将成为未来节能利用的焦点之一。它与高能量密度的太阳能电池结合应用于太阳能电动车上的双能源系统，可以大大提高太阳能在轨道交通领域的渗透率[58]；使用组合电池和超级电容器的太阳能/氢混合动力系统，可以降低所需的氢燃料电池输出功率，高效且经济[59]。目前中国技术整体仍落后于国外技术，市场供给仍以国外进口为主，只有中国自主研发并掌握了超级电容储能领域的核心技术，才能真正构建独立自主的研发体系。

(3)推动建立统一市场标准，构建规范的标准化体系。现阶段使用的超级电容器大多为国外进口器件，国外产品占据了过半的国内市场份额。在超级电容器元件或储能装置应用于国内机车时，由于标准不一经常导致应用失配的问题。由于中国疆域广袤、地形与气候条件复杂多样、极端多变地区范围较大，因此亟须构建统一的市场标准解决应用适配问题。需要关注的是，只有在技术上达到国际中高水准，才有可能在产业链中发挥引用作用，具备制定标准的话语权。

(4)加强质量监督管理，构建超级电容的技术安全体系。提升超级电容技术的可靠性、稳定性需要从生产源端开始加强监督管理。未来的储能产品应该是无人化、自动化的生产模式。工信部也明确出台了超级电容企业生产过程自动化程度的强制性要求，但中国企业在这一领域总体技术仍然相对薄弱[60]。因此，培养精通超级电容与轨道交通融合的技术人才、管理人才，进而构建超级电容技术安全体系对于推动产业发展具有重大的战略意义。

4 结论

在能源危机日益严峻的背景下，轨道交通的能量储存及能量二次回收利用已经成为公共交通领域节能减排的重要方向之一。超级电容与轨道交通系统的充分融合，将成为轨道交通领域能源循环利用的关键手段；超级电容器技术提升很好地汲取了普通蓄电池与电容储能结合的优点，为中国轨道交通系统用能清洁化和节能减排提供了新的技术路径选择。

当前，超级电容在轨道交通领域的应用方式主要为再生制动储能。对超级电容-轨道交通融合的技术现状、融合模式进行综述，并在对比现有技术与应用场景匹配的可行性分析基础上，梳理了超级电容与轨道交通融合发展的趋势和技术路线，为同行研究提供借鉴。