超級電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、超級電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用近年來，為了充分利用城市軌道交通車輛（特別是輕軌和有軌電車）的制動能量，提出了多種 能量管理設(shè)備，如飛輪、逆變器、超級電容等。下面就超級電容在城市軌道交通中的應(yīng)用，進行初步分析和探討。1 應(yīng)用背景隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。我們在建設(shè)城市軌道交通時,必須考慮經(jīng)濟與環(huán)境的和諧發(fā)展。從經(jīng)濟角度看，城市軌道交通系統(tǒng)的能耗最引人關(guān)注 ,能耗費用占了運營費用的相當(dāng)大的部分。怎樣有效利用能源、減少能耗，是擺在我們面前的一個重要課題。調(diào)查顯示，在城市軌道車輛的能耗中，牽引能耗占了 90%，車輛輔助設(shè)備能耗 占 10%如果采取適當(dāng)?shù)拇胧绾侠戆才跑囕v運行

2、、使用超級電容等能量管理設(shè)備，電能消耗量的 40%就可以在車輛制動時反饋回供電系統(tǒng)，以供給正在加速的車輛使用，如圖 1 所示。関】城麗軌道車輛的制動能耗比例此外，由于列車啟動和制動會引起電壓的波動，若采用合適的能量管理設(shè)備，就可以減小電網(wǎng)電壓的波動，從而提高供電質(zhì)量。2 工作原理及技術(shù)特點 2.1 工作原理超級電容器也屬于雙電層電容器，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其他種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。在傳統(tǒng)物理電容中，儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離，極板之間為真空（相對介電常數(shù)為 1）或被一層介電物質(zhì)

3、（相對介電常數(shù)為 ）隔離,電容值為式中,A 為極板面積,d 為介質(zhì)厚度；所儲存的能量為 E=1/2C（ V）2,其中 C 為電容 值，V 為極板間的電壓降?？梢?，若想獲得較大的電容量，儲存更多的能量，必須增大面積 A 或減少介質(zhì)厚度 do在雙電層電容器中，采用活性炭材料制成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液。當(dāng)在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而由于電場作用，電解質(zhì)溶液中的正負離子將分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層，相當(dāng)于兩個電容器串聯(lián)，如圖 2 所示。圖2超級電容的技術(shù)原理由于活性碳材料具有大于等于1 200m2/g 的超高比表面積(即獲

4、得了極大的電極X 10(1)面積 A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質(zhì)厚度d),從式(1)可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)物理電容器的容值要大很多，比容量可以提高 100 倍以上，從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能。2.2 技術(shù)特點(1) 納米碳電極表面積可以做得很大(3 000 m2/g),而且很輕；(2) 兩電極間的距離很小，達 1 nm;(3) 電解質(zhì)的分解電壓：有機電解質(zhì)為 2.53 V,無機電解質(zhì)為 0.71 V;(4) 能量密度相對小(512W- h/kg),但功率密度大(達 10 kW /kg),且充電速度快；(5) 充放電是純物理過程-離子

5、在電解質(zhì)中的移動；(6) 內(nèi)阻非常小，便于實現(xiàn)高功率充放電；(7) 充放電效率高，工作溫度范圍寬，環(huán)境適應(yīng)性較強。3 工作模式在城市軌道系統(tǒng)中采用的超級電容主要有兩種工作模式：一種是作為能量儲存器,它吸收了車輛制動過程中產(chǎn)生的能量，直到后面有車輛處于加速狀態(tài)時才將能量釋放到供電系統(tǒng)中；一種是作為穩(wěn)壓器，它總是保持在高容量的狀態(tài)，當(dāng)供電系統(tǒng)的電壓低于規(guī)定 值時才開始放電。超級電容系統(tǒng)可以自動地轉(zhuǎn)換這兩種運行模式，以便完全適應(yīng)變化的運行要求。3.1 能量儲存模式如果沒有能量儲存系統(tǒng)(如超級電容),如果同一時間內(nèi)沒有任何其他車輛處于加速狀態(tài)，則制動車輛產(chǎn)生的能量就會通過放熱方式消耗在制動電阻上面。然

6、而營中，這些同步的加速和制動并不能完全協(xié)調(diào)，也就是說，當(dāng)一列車制動時，不可能總是在同一供電區(qū)段內(nèi)有另外的列車在牽引，因此總是有部分能量以熱量的方式消耗掉。但采用超級電容，可以在制動的過程中把能量儲存下來，當(dāng)有車輛加速的時候再釋放出去，這就減少了供電所中能量的耗費。圖 3 是 2001 年在德國科隆做的一次測試，從中可以看出：在 t1 時刻，供電段 3 處有一列車在加速（13 為正），超級電容處于放電狀態(tài)（WSES 減小,ISES 為負）;在 t2 時刻，供電 段2 處有一列車在制動（12 為負），超級電容處于充電狀態(tài)（WSES 增大，ISES 為正）;在 t3 時刻，供電段 1 處有一列車在制

7、動（11 為負），超級電容處于充電狀態(tài)（WSES 增大，ISES 為正）;在 t4 時刻，供電段 1 處的列車仍在制動，供電段 4 處的一列車在加速，超級電容立刻從充電狀態(tài)轉(zhuǎn) 成放電狀態(tài)（WSES 減小，ISES 為負）。圖3趙級電容儲儺模式的動態(tài)控制響應(yīng)3.2 電壓穩(wěn)定模式如果沒有能量儲存系統(tǒng)（如超級電容），當(dāng)有很多車輛在同一時間內(nèi)加速時，則系,在實際運統(tǒng)電壓會降到一個非常嚴重的水平，導(dǎo)致車輛頻繁地低電壓波動，從而在一段時間內(nèi)影響乘龐巴迪、德國西門子等。其中，用在軌道交通領(lǐng)域的主要有西門子公司的SITRAS SES 系列客服務(wù)質(zhì)量。對于這個問題，可以采用超級電容來得到解決。如果系統(tǒng)電壓降到規(guī)

8、定的限制值,超級電容將會放電，以提高系統(tǒng)電壓。圖 4 是 2002 年在西班牙首都馬德里地鐵做的一次測試。可以看出：在 t1 時刻,由于多列車同時加速，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降至規(guī)定的最小值，此時超絕電容開始放電（ISES 為負）,一直到 t2 時刻，以保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在 510 V 的水平；當(dāng)多列車同時加速的狀態(tài)結(jié)束時 系統(tǒng)電壓回升，超級電容處于充電狀態(tài)（通過變電站或列車制動產(chǎn)生再生能量來充電）;t3、t4 時刻表明，列車制動時充電電流快速上升，超級電容的能量迅速存儲起來。超級電容保證了系統(tǒng)電壓總是在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，牽引供電系統(tǒng)的有效性增加了。圖 5 是 2002 年在西班牙首都馬德里地鐵做測試的

9、結(jié)果。可以看出，系統(tǒng)電壓低于 490V的情況不再出現(xiàn)，低于 530V 的情況也大大減少。4 應(yīng)用現(xiàn)狀4.1 國外技術(shù)水平及應(yīng)用情況由于制作工藝的差異，國外產(chǎn)品的性能相對要好一些，循環(huán)充放電可達 50 萬次。國外生產(chǎn)大容量超級電容器的廠家主要有美國Maxwell、韓國 NESS 俄羅斯 ESMA 加拿大和龐巴迪公司的 Mitrac 系列超級電容產(chǎn)品。據(jù)了解，目前在軌道交通領(lǐng)域使用的超級電容其電壓等級普遍在 1 000 V 以下。西門子的產(chǎn)品應(yīng)用在西班牙的馬德里、德國的波鴻和科隆、美國的波特蘭等城市,其中在馬德里地鐵上使用的超級電容是放置在地面上的，由 1 300 個電容組成，占地 2. 5m2,

10、容量為 2. 3 kW 時，功率 1 MW,電壓 750 V。2003 年，在德國西南部城市曼海姆輕軌交通電氣驅(qū)動系統(tǒng)中，做了車載儲能系統(tǒng)的測試。輕軌車輛長 29.2 m，重 35.8 t。超級電容儲能系統(tǒng)重 477 kg，外形尺寸 1900mM950mM455mm 安裝在車頂，由 640 支超級電容器組成，每支 1 800 F/2.5V,采用空氣冷卻方式。系統(tǒng)的最大功率300 kW,儲能容量 1 kW- h,放電深度 50%釋放能量 75%圖5系統(tǒng)電壓值的出觀兒率為了對比，設(shè)定了列車的測試運行曲線：加速至 50 km/h,接著惰行，然后制動。先把超級電容儲能系統(tǒng)關(guān)斷，測試結(jié)果如圖 6 所示。

11、可以看出，從供電系統(tǒng)獲取的最大功率約 為 85 kW,只有很少的制動能量被回饋到供電系統(tǒng)。接上超級電容儲能系統(tǒng)，列車仍然按照設(shè)定的測試運行曲線運行，測試結(jié)果如圖 7 所示。從供電系統(tǒng)獲取的最大功率約50 kW,幾乎全部的制動能量被儲存到儲能系統(tǒng)。4.2 國內(nèi)技術(shù)水平及應(yīng)用情況在城市軌道交通領(lǐng)域，國內(nèi)仍處于研究階段，還沒有成熟產(chǎn)品。產(chǎn)的超級電容器主要用在電動汽車、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。其容量和功率相對較小梯節(jié)能器上的超級電容器（見圖 8）,其容量為 0.5 kW h,功率也只有幾十kW。f韜也級電容的t AJJS,國內(nèi)研究生,例如用在電W 8電梯廿能器的整級屯容器單體5 應(yīng)用前景分析5.1 技術(shù)分析超

12、級電容裝置的關(guān)鍵技術(shù)是串聯(lián)均壓技術(shù)、充放電控制技術(shù)、能量管理技術(shù)、儲能模塊優(yōu)化技術(shù)等。這些關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)，只要做進一步的研究，就完全可以開發(fā)出適合于城市軌道交通系統(tǒng)應(yīng)用的超級電容裝置。城軌車輛制動能量的利用與行車密度有很大關(guān)系。如果行車密度大，例如地鐵車輛的行車間隔普遍可以達到三四分鐘，則列車制動時反饋的電能基本上就能提供給其他正 在加速的列車使用。因此，作為儲能裝置的超級電容，更適合于行車密度相對較小的輕軌系 統(tǒng)。5.2 經(jīng)濟分析目前，國外開發(fā)的超級電容裝置價格昂貴，一套超級電容裝置的價格高達幾百萬元。國內(nèi)的產(chǎn)品價格相對便宜，有的科研單位曾針對超級電容器應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)進

13、 行了成本分析。5 2 1 超級電容器安裝在供電系統(tǒng)上采用國產(chǎn)不對稱型超級電容器，電壓 1 500 V,功率 2MW 儲能系統(tǒng)支撐 50%勺供電功率,持續(xù)時間 30 s,所需的總能量為 30MJ,選用 20 000 F/1.4 V 的電容器（放電范圍 1.41 V）,需要3 000 支（2 串并聯(lián)，每串 1 500 支）,每支電容器 400 元，共 120 萬元，再加平衡電路、 檢測與控制電路，儲能單元總成本約 150 萬元。5 2 2 超級電容器安裝在列車上采用國產(chǎn)不對稱型超級電容器，電壓 1 500 V,功率 600 kW,儲能系統(tǒng)支撐 50%勺供電功率，持續(xù)時間 30 s,所需的總能量為 9MJ,選用 12 000 F/1.4 V 的電容器（放電范圍 1.41V）,需要 1 500 支,1 串，每支電容器 250 元，總計約 40 萬元，再加平衡電路、檢測與控 制電路，儲能單元總成本約 50 萬元。可見，如果依靠國內(nèi)技術(shù)成功研制適用于城市軌道交通的