超級電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應用

1、超級電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應用近年來，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用 進行初步分析和探討。1應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?shù)拇胧?，如合理安排車輛運行、 使用超級

2、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。圏1城M軌逍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)（相對介電常數(shù)為

3、£ ）隔離,電容值為X 10'(1)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在電解質(zhì)中的移動；(6) 內(nèi)阻

5、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,在實際運加速狀態(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。然而營中，這些同步的加速和

6、制動并不能完全協(xié)調(diào)，也就是說，當一列車制動時，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處有一列車在制動（11為負），超級電容處于充電狀態(tài)（WSES增大，ISES為正

7、）;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）。1 *冊Tt If fl | /1筋.兇 2皿屮t'毎電電辦電j 彳*J-亠1'1If*則 p -孑_2 (NX)4* 弋心理14 hI %""1 “»-UFAi.!l.<| 鼻巳?！? .忖<仙片1ftAf M H .F. I圖3超級電容儲能模式的動態(tài)控制響應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），當有很多車輛在同一時間內(nèi)加速時，則系統(tǒng)電壓會降到一個非常嚴重的水平，導致車輛頻繁地低電壓

8、波動，從而在一段時間內(nèi)影響乘 客服務質(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)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?？梢钥闯觯涸趖1時刻,由于多列車同時加速，導致系統(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

9、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應用現(xiàn)狀4.1國外技術(shù)水平及應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)品應用在西班牙的馬德里、

10、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,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1900mM 950mM 455mm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)電壓值的出現(xiàn)兒率為了對比，設(shè)定了列車的

11、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。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。目前產(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,國內(nèi)研究生,例如用在電梯節(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

12、。W 8電梯卄能器的超級屯容器單體5應用前景分析5.1技術(shù)分析超級電容裝置的關(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

13、相對便宜，有的科研單位曾針對超級電容器應用于城市軌道交通系統(tǒng)進行了成本分析。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

14、 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?？梢?如果依靠國內(nèi)技術(shù)成功研制適用于城市軌道交通的超級電容器,可以大大降低設(shè)備本身的價格。6結(jié)語超級電容用在城市軌道交通系統(tǒng)既能穩(wěn)定線網(wǎng)電壓，又能回收一定的制動能量，可作為節(jié)能方案之一做進一步研究。隨著國內(nèi)城市軌道交通的迅猛發(fā)展，將會有越來越多的輕軌、 有軌電車等行車密度相對小的運載系統(tǒng)出現(xiàn)。若能依靠國內(nèi)技術(shù)力量，研制出適用于城市軌道交通的超級電容器，將能夠大大降低超級電容器的價格,有利于超級電容在城市軌道交通領(lǐng)域的推廣使用，有利于建設(shè)節(jié)能型的城市軌道交通運載系統(tǒng)。僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziell