艾子洋（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

超級電容在輕軌上應(yīng)用

艾子洋
（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。從經(jīng)濟(jì)角度看，城市軌道交通系統(tǒng)的能耗最引人關(guān)注，能耗費(fèi)用占了運(yùn)營費(fèi)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(gè)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%。如果使用超級電容等能量管理設(shè)備，相當(dāng)一部分電能消耗量就可以在車輛制動時(shí)反饋回供電系統(tǒng)，以供給正在加速的車輛使用。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。本文講述超級電容在沈陽70% 及100%輕軌車上的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。首先對超級電容的應(yīng)用問題和超級電容常用儲能方式還有雙向變換器的策略進(jìn)行了研究，接著對電容應(yīng)用在車輛上在廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)的有關(guān)問題。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)際的需要，進(jìn)行了輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作。最后保障電容在車輛上應(yīng)用平穩(wěn)。

雙向DC/DC變換器 超級電容 車載能量管理系統(tǒng) 列車廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1　緒論

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。從經(jīng)濟(jì)角度看，城市軌道交通系統(tǒng)的能耗最引人關(guān)注，能耗費(fèi)用占了運(yùn)營費(fèi)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(gè)重要課題。

在城市軌道交通中，再生制動能量能夠被相鄰列車吸收利用，若不能被完全吸收，那么剩余的再生制動能量會使線網(wǎng)電壓迅速上升，為防止再生失效，通常利用制動電阻將剩余能量消耗掉，這造成極大地浪費(fèi)并帶來溫升的問題。近年來，隨著超級電容、飛輪等新型儲能技術(shù)的發(fā)展，如何利用儲能裝置吸收利用再生制動能量是城軌交通當(dāng)今研究的熱點(diǎn)課題。目前在中國城市軌道交通市場， 2013年長春軌道客車股份有限公司為遼寧省沈陽市制造了70%及100%超級電容輕軌列車并在廠內(nèi)完成了相關(guān)型式試驗(yàn)試驗(yàn)，該車采用超級電容作為輔助動力能源，在城市軌道交通使用時(shí)過無電區(qū)使用。（1）常見儲能方式。城市軌道車輛質(zhì)量較大，運(yùn)行速度較高，所以其制動時(shí)的機(jī)械能很大，平均每輛車制動時(shí)的動能可達(dá)幾千千焦。而且制動時(shí)間還短，這就要求儲能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在制動時(shí)間內(nèi)吸收大量能量的功能，并且易于安裝在城市軌道車輛上，易于維護(hù)、保養(yǎng)，使用壽命長。目前，儲能裝置在我們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣M(jìn)步中扮演重要的角色。傳統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池，經(jīng)過歷代的發(fā)展，蓄電池技術(shù)已逐步趨向成熟，性能也趨向穩(wěn)定，不過受到儲能方式本身特性的限制，一些主要性能總是難以提高，同時(shí)它的環(huán)境污染和腐蝕問題在注重環(huán)保的今天，與社會的進(jìn)步顯得尤為不和諧。所以人們逐漸將目光放在了更加先進(jìn)的儲能方式上。飛輪儲能以及超級電容儲能是新興儲能方式的代表，它們綠色環(huán)保，符合國家提倡的可持續(xù)發(fā)展及建設(shè)節(jié)約型社會的發(fā)展策略，近年來得到普遍的重視和大力發(fā)展。（2）超級電容器。超級電容器是利用電極和電解液之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。對超級電容的正極板施加的電勢吸引電解液中的負(fù)離子，而負(fù)極板吸引電解液中的正離子，從而使電極與電解液之間出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲能是通過使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來實(shí)現(xiàn)的，儲能機(jī)制過程中并沒有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，所以儲能過程是可逆的。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲備電荷的能力。（3）超級電容特性。超級電容器與市場上出現(xiàn)的其他儲能設(shè)備，如鉛酸蓄電池、錫鎳電池、氫鎳電池等相比，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：1）功率密度高?？蛇_(dá)300W/KG~5000W/KG，相當(dāng)于鉛酸蓄電池的5-10倍。2）充放電循環(huán)壽命長。超級電容器在充放電過程中沒有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命可達(dá)萬次以上。而目前常用的密封式鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命只有幾百次，使用壽命大約為3-5年。3）充電時(shí)間短。超級電容完全充電只需數(shù)分鐘甚至幾十秒鐘；而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)才能完成充電。4）可靠性高，免維護(hù)。超級電容的維護(hù)工作極少，可實(shí)現(xiàn)真正的免維護(hù)，而蓄電池所謂的“免維護(hù)”僅指使用期間無需加水，在實(shí)際工作中仍必須進(jìn)行定期維護(hù)。 5）環(huán)境溫度對正常使用的影響不大。超級電容器正常工作溫度范圍在一40-65℃，而蓄電池則對溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，平時(shí)不能超過15-30℃的范圍。6）檢測方便。超級電容的容量與其端電壓有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。而蓄電池的容量檢測，不論是離線式還是在線式檢測，都需要進(jìn)行繁瑣的工作。7）體積小，外形緊湊，便于安裝，節(jié)省空間。

2　超級電容在輕軌車上實(shí)際調(diào)試應(yīng)用

2.1靜態(tài)功能

在完成文件要求試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加各系統(tǒng)在靜態(tài)條件下的深度試驗(yàn)。（例如門開關(guān)1000次，制動系統(tǒng)磁軌制動下落20次，超級電容充放電試驗(yàn)10次等試驗(yàn)）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)《70%低地板深度試驗(yàn)說明》，對《深度試驗(yàn)故障記錄單》中提出的問題聯(lián)合方法部進(jìn)行技術(shù)分析，并制定解決方案。

2.2動態(tài)功能

車輛靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)束后，沈陽70%動態(tài)DC/DC調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)要求斷開VCU電源和BCU電源。斷開VCU電源后，車輛屬于網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)，導(dǎo)致IDU顯示屏無法顯示DC/DC電壓，操作者很難確認(rèn)DC/ DC是否充電正常，所以使用此設(shè)備。

詳細(xì)介紹：（1）該裝置在初送電狀態(tài)下顯示LED顯示為零，兩快電路板電源指示燈均得電。（2）在VCU通訊正常狀態(tài)下IDU顯示DC/DC電壓為401V，該裝置與VCU通訊后顯示電壓為401V與IDU顯示相同。（3）當(dāng)IDU顯示DC/DC電壓超過500V時(shí)，該裝置顯示電壓與IDU顯示電壓相同，但裝置中蜂鳴器響起，發(fā)光二極管閃爍，告訴操作者DC/DC電壓已經(jīng)超過500V以上，應(yīng)停止對超級電容充電。（4）在動態(tài)調(diào)試超級電容試驗(yàn)時(shí)須斷開兩端VCU電源，使網(wǎng)絡(luò)處于異常狀態(tài)，導(dǎo)致IDU通訊中斷。在試驗(yàn)中，無法確定超級電容充電電壓，該裝置滿足在網(wǎng)絡(luò)通訊異常時(shí)仍能顯示超級電容電壓，使操作者能準(zhǔn)確的監(jiān)控超級電容狀態(tài)。

3　結(jié)語

本文通過車輛上相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步觀察超級電容在車輛應(yīng)用。使車輛在出廠前能夠穩(wěn)定運(yùn)行。到達(dá)用戶現(xiàn)場車輛可以在無電區(qū)自動投入使用。

［1］陳朗.超級電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.都市快軌交通. 2008（3）.

［2］張慧妍，韋統(tǒng)振，齊智平.超級電容器儲能裝置研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（8）.

［3］嚴(yán)海旭.一種雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與研究［D］.南京林業(yè)大學(xué)，2012.