伍雨彬 蔡苗苗

摘要：超級(jí)電容被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)偷、工業(yè)、新能源及裝備等其他領(lǐng)域，隨著新能源的大力發(fā)展，在城軌領(lǐng)域，軌道交通環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)已越來越受到重視，大力發(fā)展軌道公共交通已成為世界各國的共識(shí)。超級(jí)電容與二次電池相比具有循環(huán)壽命長、充放電為物理變化、對(duì)環(huán)境無污染、功率密度高、SOC檢測容易等優(yōu)點(diǎn)，超級(jí)電容將成為未來軌道交通領(lǐng)域中儲(chǔ)能元件的一個(gè)重要選擇。

關(guān)鍵詞：軌道交通;超級(jí)電容;儲(chǔ)能系統(tǒng)

1 引言

在城軌交通運(yùn)營中，現(xiàn)代城軌列車普遍采用再生制動(dòng)的方式將能量回饋到接觸網(wǎng)，而這些能量除了被直流電網(wǎng)吸收和按一定比例被其他相鄰列車吸收利用外，剩余能量主要被車輛的制動(dòng)電阻以發(fā)熱的方式消耗點(diǎn)或被線路上的裝置吸收，在城軌交通中，采用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置對(duì)城軌交通供電系統(tǒng)進(jìn)行抑制網(wǎng)壓波動(dòng)和回收制動(dòng)能量，大大提高了城軌系統(tǒng)能量利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

2 超級(jí)電容

超級(jí)電容屬于雙電層電容器，它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，其基本原理和其它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，其容量比通常的電容器大得多。

超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)上的具體細(xì)節(jié)依賴于對(duì)超級(jí)電容器的應(yīng)用和使用。所有超級(jí)電容器的共性是，他們都包含一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極，及這兩個(gè)電極之間的隔膜，電解液填補(bǔ)由這兩個(gè)電極和隔膜分離出來的兩個(gè)的孔隙。

3 城軌超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

超級(jí)電容是容值可達(dá)數(shù)千法拉的電容器，其充放電過程無能量轉(zhuǎn)換，只涉及電能交換，效率很高，循環(huán)壽命長。城軌超級(jí)電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收方式可分為車載式和地面式2種，為了維護(hù)方便，地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)通常安裝在牽引變電所。由于接觸網(wǎng)存在阻抗，在列車牽引運(yùn)行時(shí)會(huì)造成接觸網(wǎng)線路損耗，而車載式儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在車上，存儲(chǔ)制動(dòng)能量無需經(jīng)過接觸網(wǎng)，避免了接觸網(wǎng)線路損耗。車載儲(chǔ)能裝置容量配置僅需考慮列車自身制動(dòng)功率和能量，而地面式儲(chǔ)能裝置需要綜合考慮發(fā)車密度、供電區(qū)間長度等因素，容量配置較為困難。

4 含車載超級(jí)電容的城軌列車運(yùn)行系統(tǒng)

含車載超級(jí)電容的城軌列車運(yùn)行系統(tǒng)分牽引制動(dòng)系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)兩部分。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與列車的牽引制動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)連接，并獨(dú)立控制。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)由雙向DC/DC變換器和超級(jí)電容器組兩部分組成。當(dāng)列車牽引/制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放/吸收系統(tǒng)能量。該系統(tǒng)中包括I₁電網(wǎng)電流，I_d為列車所需要的電流，I_s為儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電流。則滿足：I_d=I₁+I_s。

雙向DC/DC變換器可分為隔離式和非隔離式兩種。非隔離式器件少、效率高、控制簡單，而且，非隔離式雙向DC/DC變換器可實(shí)現(xiàn)雙象限運(yùn)行，即變換器兩端電壓方向不變，但電流方向可以改變，在功能上相當(dāng)于Boost變換器和Buck變換器的組合。這些特點(diǎn)非常符合車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，故選擇非隔離式變換器。非隔離式儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)圖儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)有3種：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和保持狀態(tài)。用PWM方式控制開關(guān)管的T₁、T₂導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)管T₁導(dǎo)通T₂關(guān)斷時(shí)，T2反并聯(lián)二極管續(xù)流，雙向DC-DC變換器工作在Buck電路狀態(tài)，即儲(chǔ)能裝置工作在充電狀態(tài);當(dāng)開關(guān)管T₂導(dǎo)通T₁關(guān)斷時(shí)，T₁反并聯(lián)二極管續(xù)流，雙向DC-DC變換器工作在Boost電路狀態(tài)，即儲(chǔ)能裝置工作在放電狀態(tài);當(dāng)開關(guān)管T₁和T₂都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，雙向DC-DC變換器停止工作，儲(chǔ)能裝置處于備用保持狀態(tài)。儲(chǔ)能裝置連續(xù)不斷地在上面三種狀態(tài)之間切換，避免了直流電網(wǎng)電壓的大范圍波動(dòng)，起到了節(jié)能和穩(wěn)壓的作用。

4.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)步驟

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)由直流電源BMS主控制器、BMS子控制器、傳感器、執(zhí)行器和多個(gè)超級(jí)電容組構(gòu)成。方案需要完成的內(nèi)容有：編寫輸入輸出對(duì)照表，繪制功能流程圖，用編程軟件在電腦上進(jìn)行軟件仿真，在實(shí)驗(yàn)室與電腦相連，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)試，觀察按鍵，制動(dòng)按鈕等功能是否得以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試，直到系統(tǒng)完全正常為止。

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的猛速發(fā)展，我國在鐵路機(jī)車制造業(yè)基礎(chǔ)上，通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、自主創(chuàng)新，在新型供電制式與車載儲(chǔ)能技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破，形成了目前的新型儲(chǔ)能式軌道車輛。本文針對(duì)列車制動(dòng)過程中電阻吸收制動(dòng)能量的缺點(diǎn)，引入超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置。該裝置將電容組存儲(chǔ)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量供列車加速使用，這樣不僅節(jié)約能源、減少污染，還能改善電網(wǎng)供電品質(zhì)。將超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用到城市交通車輛上，這對(duì)節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。

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