超级电容在城市轨道交通车辆中的应用进展*

2019-05-16乔志军阮殿波

铁道机车车辆 2019年2期

乔志军，阮殿波

(宁波中车新能源科技有限公司，中国中车超级电容储能及节能技术研发中心，浙江宁波 315112)

作为一种新型的储能装置，超级电容具有快速充电、高比能量、超高功率(>3 kW/kg)、宽使用温度(-40 ℃～70 ℃)、超长寿命(循环充放电高于5万次)、高安全(满电穿刺、挤压等不爆炸)等优势，因此其既可以实现城市轨道交通车辆在短时间内的高功率牵引及制动能量的回馈[1-3]，也可以与电池联用，实现高功率储能及能量快速释放，延长电池的使用寿命[4]。针对超级电容在城市轨道交通领域的应用，分析超级电容在有轨电车、地铁、混合动力动车组等轨道车辆应用中的优缺点，并展望超级电容在未来轨道交通领域的发展方向。

1 超级电容介绍

根据超级电容的储能原理，其可以分为3类：双电层电容器(EDLC)、赝电容电容器、混合型电容器[5]。EDLC是一种依靠多孔碳电极在充/放电条件下，吸/脱附电解液离子进行储能/释能的装置；赝电容电容器是一种依靠金属氧化物电极在充/放电条件下，电极表面发生氧化还原反应的储能器件；混合型电容器是一种依靠正极为EDLC用多孔碳材料，负极为锂离子电池正极材料，或者正极为锂电池正极材料和EDLC用多孔碳的复合材料，负极为软、硬碳等材料进行电化学储能的器件，前者统称为锂离子电容器[6-7]，后者称为电池电容[8-9]。

EDLC的储能过程理论上为电子吸附电荷的纯物理过程，因此与其他超级电容相比，其拥有更高的比功率(>10 kW/kg)和更长的使用寿命(100万次充放电循环)；混合型电容器的储能过程既有电化学反应，又伴随物理吸附，因此其具有更高的比能量(>20 kW/kg)，而与赝电容电容器相比，其具有长的使用寿命(高于5万次的充放电循环)；赝电容电容器的储能依靠电极表面反应，比功率虽然低于EDLC，但高于混合型电容器。根据不同的市场，可以选择合适的超级电容。

2 超级电容在城市轨道交通中的应用

2.1 电网/超级电容混合牵引型有轨电车

西班牙CAF 公司采用2.7 V/3 000 F超级电容单体为基础储能部件，配置成8.2 kWh的储能系统，研制出了电网/超级电容混合牵引型有轨电车，并于2011年在西班牙塞维利亚运营。该车在无网区段全部采用超级电容牵引，平均每天无网运行130 km，首次实现了有轨电车在无电网区的电力牵引，起到了调控道路交通资源，抑制小汽车滥用的作用，取得良好的社会效益。

图1 典型电网/超级电容混合牵引型有轨电车

2012年9月，CAF公司的有轨电车在西班牙萨拉戈萨(如图1(a))和格拉纳达商业运营。萨拉戈萨和格拉纳达有轨电车均装载8.2 kWh超级电容组/30 kWh锂电池组混合储能系统，分别保障了2.05 km和4.95 km 的无触网区段供电牵引，其中超级电容组均采用2.7 V/3 000 F超级电容集成。

2013年中车长春轨道客车股份有限公司研制了中国第一个成网运行的架空接触网和超级电容复合电源牵引供电型现代有轨电车(如图1(b))，并在沈阳浑南运营。该有轨电车选择由2.7 V/3 000 F超级电容单体组装的48 V/165 F模组为单元，组装成1.6 kWh的储能系统[10-11]，实现了有轨电车在无网区运行以及制动能量的回收。

2017年中车大连机车车辆有限公司开发了中国第一个以地面供电网和超级电容复合电源牵引型有轨电车，其利用3 000 F超级电容储能系统牵引机车通过路口，避免过路口道岔时供电衔接不上。目前该车已在珠海1号线正式上线运营(如图1(c))。

随着电网和超级电容复合牵引供电技术的成熟，众多城市上线电网/超级电容混合牵引型有轨电车，例如上海松江、成都R线、云南红河州线等。

2.2 全程无网储能式有轨电车

尽管全世界数十个城市在建设接触网型有轨电车，然而由于电接触网的建设不能避免城市景观和形象、沿街树木和建筑、沿海城市台风的破坏，以及迷蚀电流对建筑物的损害，同时部分城市中心广场或街道不允许设立接触网，不利于城市规划和布局。

2.2.1纯超级电容动力型

2014年中车株洲电力机车有限公司(株机公司)发布了世界首台超级电容全程无网储能式100% 现代有轨电车[12]，并于12月在广州海珠线正式运营(图2(a))。海珠线有轨电车采用宁波中车新能源科技有限公司(中车新能源公司)研制的方形2.7 V/7 500 F超级电容作为主动力源，利用30 s站停时间，以1 800 A电流对6并344串超级电容进行充电，实现了“即停即充、即充即走”模式。随后，株机公司利用中车新能源公司的2.7 V/9 500 F、3 V/12 000 F超级电容，研制了续航能力更远的储能式有轨电车，并在江苏淮安、深圳龙华、武汉大汉阳、东莞华为等地上线运营。

2018年1月武汉中车长客轨道车辆有限公司生产的东湖“光谷量子号”超级电容有轨电车上线运行(图2(b))。该车以上海奥威科技开发有限公司的4.2 V/28 000 F 电池电容作为储能元件，其整车储存能量47.6 kWh。车辆利用站停时间充电，一次充电可运行10 km以上，最高运行速度可达70 km/h[13-16]。

2018年6月中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的青海德令哈储能式有轨电车首列车正式下线(图2(c))，其配备了中车青岛四方车辆研究所有限公司开发的锂离子电容器储能装置，30 s内快速完成充电。

图2 国内典型超级电容储能式有轨电车

纯超级电容全程无网储能式有轨电车不仅取消了接触网，解决了城市景观，而且超级电容的能量回馈利用率高于85%，避免了再生制动能量的浪费[17-19]。全程无网储能式有轨电车的优势，使其受到广泛的关注。在国内，越来越多的城市开始设计无网型有轨电车运行轨道，例如海南三亚、云南文山、甘肃天水、浙江台州、北京顺义、四川成都等城市。

2.2.2超级电容/燃料电池混合动力型

2011年西班牙窄轨铁路公司研制了氢燃料电池有轨电车，载客人数为20～30人，最高速度达到20 km/h。该车辆由2节12 kW的燃料电池供电，制动再生能量储存在3个Maxwell 125 V重型交通运输系列超级电容器模块或额定功率为95 kW锂离子电池内。

西南交通大学和中车唐山机车车辆有限公司以两套150 kW的燃料电池系统、800节10Ah电池和108 个48 V超级电容模组(3 000 F单体组成)为有轨电车的三混动力系统，可以实现有轨电车以1 m/s2的加速度持续加速到70 km/h[20-21]。2017年成功研制了燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车(图3(b))，该车运行速度可达70 km/h，列车连续形成里程可达40 km以上，在国内首次实现了燃料电池/超级电容/动力电池混合动力系统为车辆提供牵引和辅助供电，其中超级电容系统为车辆起停瞬间提供大功率充放电，延长电池的使用寿命。

2.2.3超级电容/锂离子电池混合动力型

2015年卡塔尔多哈有轨电车上线运行，其牵引动力源采用2.7 V/3 000 F超级电容组与锂电池组的混合型“Sitras”储能单元。该项目线路长度12 km，设站25个，在每一站采用750 V直流架空导电轨对储能系统进行充电。

2018年2月台湾高雄有轨电车环线开通，其有轨电车由CAF公司制造，牵引动力也是依靠2.7 V/3 000 F超级电容组与锂电池组的混合储能系统完成。

2018年6月株机公司自主研制的超级电容——锂电池混合动力有轨电车下线，其中超级电容选用3.0 V/12 000 F，锂电池选用钛酸锂电池。

图3 燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车

2.3 地铁制动能量回收

由于地铁列车频繁制动时会产生大量再生制动能量，造成直流牵引网电压的抬升，当直流牵引网电压严重过高时，会导致再生制动失效，从而整个轨道交通网络的供电都会受到影响[22-23]。制动能量回收可以采用储能的方式进行解决，而超级电容器是一种具有高功率、高效能、长寿命的储能器件，所以在地铁列车线路中得到广泛应用[23-25]。国外研究超级电容能量回收系统比较早，如韩国宇进株式会社、西门子[26]、庞巴迪等[27-28]，其中韩国的制动能量回馈系统在韩国11条地铁线上实现了应用，西门子公司的Sitras SES静态储能系统已在里斯本、波鸿、科隆、德雷斯顿、马德里运行[29]。我国第一条超级电容器储能系统线为2007年北京地铁5 号线，其采用了西门子公司的Sitras SES系统。

胡敏等[30]研制了一套锂离子电容器能量回收装置，其系统电压范围为DC 500～820 V，充/放电电流可达400 A(图4(a))。该系统已安装至上海地铁某线路列车中，充电总最大能量为5.7 kWh。地铁每次制动的总能量可达到10 kWh，当地铁启动时，锂离子电容器可实现完全放电，回收的能量大约在70%。预计每年至少回收68.4×104kWh。

图4 上海地铁某线路的锂离子电容器能量回收装置(a)、中车青岛四方所研制的制动能量回收装置(b)、宁波中车新能源公司研制的地铁制动能量回收装置(c)

2016年12月17日，专家组对中车青岛四方车辆研究所有限公司(以下简称“中车青岛四方所”等公司联合进行的再生制动能量回收装置正线试运行了评审，其性能指标满足地铁挂网要求。北京(750 V超级电容储能)、青岛(1 500 V超级电容储能)等地已装机运行。同时中车青岛四方和美国Maxwell公司合作研发长沙地铁的地面制动能量回收系统，其核心储能器件采用锂离子电容器。

2016年11月20日，中车新能源公司等公司联合研制的1 500 V地铁列车用超级电容器储能装置在广州地铁6号线浔峰岗站正式挂网运行。该装置每天回收电能约1 500 kWh，能量吸收利用率高于90%，能量释放利用率高于90%，具有良好的经济效益和环境效益。

随着列车再生的制动能量技术回收的工业化和市场化，制动能量回收装置将成为城市轨道交通行业发展的重点方向。

2.4 地铁应急牵引

超级电容可以作为地铁应急牵引后备电源使用，其牵引装置的特点在于：(1)输出电流大；(2)循环使用寿命长；(3)充放电速度快，节省时间；(4)节能环保。超级电容紧急牵引主要用途：(1)电网故障时，地铁利用超级电容牵引至车站；(2)列车回库时，可以利用超级电容牵引进入车库；(3)解决列车重载负荷时不掉电问题。付亚娥等[31]采用7 500 F超级电容作为应急牵引系统的电源，对应急牵引工况进行了可靠性研究分析，结果表明在提供强制风冷的情况下，应急牵引100 m 距离时，超级电容平均发热功率达到826 W，在100 s内温升估算将达到7 K，可以实现超级电容对地铁车辆进行应急牵引。

2.5 混合动力动车组

混合动力动车组具有大密度、小运量、灵活编组等特点，因此具有广阔的市场前景[32-34]。目前研究较多混合动力动车组为电网或内燃机与蓄电池的混合，但由于蓄电池的低温特性和寿命受到极大的限制，因此大功率、长寿命的超级电容得到迅速发展。

2018年6月株机公司研制的国际首列以超级电容为储能电源的混合动力动车组正式下线(图5)。其利用中车新能源公司研制的高比能量60 000 F超级电容，可以短时间提供大功率电流，将列车启动加速至120 km/h；列车一次制动，超级电容可以回收16 kWh电能，并可以为列车再次启动、加速提供能量，实现能量循环利用，减少能源消耗。