林云志，羅 兵

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100036；2.中鐵電氣化局城鐵公司，北京 100036）

0 引言

有軌電車是采用電力驅(qū)動在軌道上進(jìn)行行駛的輕型軌道交通工具，不排放廢氣，是一種綠色環(huán)保型交通工具[1]。

動力電池是較為傳統(tǒng)的蓄電池，按正極材料可分為以下幾大類：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鎳鋅電池、鋰電池。技術(shù)發(fā)展到今天，以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池代表了當(dāng)前最先進(jìn)、能夠大功率應(yīng)用的動力蓄電池。在汽車、軌道車輛等方面應(yīng)用較為廣泛[2]。

1 超級電容簡介

超級電容又叫雙電層電容器，是 20 世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的一種新型儲能裝置，結(jié)構(gòu)上同普通電解電容非常相似，屬于雙電層電容器，采用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成雙電層結(jié)構(gòu)，加上極小的電極間隙，可以獲得高達(dá) 80 000 F 的超大容量。超級電容目前正處于快速成長期，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。

超級電容相比傳統(tǒng)動力電池存在較為明顯的優(yōu)勢，可從以下 3 個工程指標(biāo)進(jìn)行比較分析。

（1）能量密度。指單位重量所儲存的總能量多少，與材料有關(guān)。綜合重量和能量密度，可以判斷其是否可以作為純動力源。

（2）功率密度。指單位重量在放電時能以何種速率進(jìn)行能量輸出，表征其放電輸出特性。功率密度高，瞬態(tài)釋放能量高，在高功率輸出的時候效用就高[3]。

（3）循環(huán)次數(shù)。即充放電次數(shù)，決定了使用壽命和維護(hù)成本。

以 7 500 F 超級電容為例，相比傳統(tǒng)動力電池，能量密度和功率密度范圍由圖 1 給出。

圖1 能量密度和功率密度 Ragone 圖

由圖1可知，超級電容的能量密度較低，可進(jìn)行短時供能，通過多個大容量超級電容串并聯(lián)，能夠提高總能量。超級電容功率密度很高，可以提供瞬時高峰能量吸收和輸出，特別適合車輛的起動和制動。超級電容低很多，但是在能量密度上具有非常好的優(yōu)勢，特別適用于有限空間中的應(yīng)急應(yīng)用，如制動、應(yīng)急通風(fēng)、空調(diào)等負(fù)載[4]。

表1 給出了關(guān)鍵工程指標(biāo)對比，蓄電池循環(huán)壽命比

表1 關(guān)鍵工程指標(biāo)對比

2 超級電容動力牽引配置可行性分析

以目前正在運(yùn)行的某地 2 號、3 號地鐵線車輛數(shù)據(jù)為例，結(jié)合國內(nèi)新出的超級電容參數(shù)（表 2）進(jìn)行計算。

表2 每組車載超級電容儲能單元主要參數(shù)

2.1 單軌車輛概況

車輛主要由車體、客室設(shè)備、轉(zhuǎn)向架、牽引制動系統(tǒng)、輔助電源裝置、空氣制動系統(tǒng)、空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)、車體連接裝置、照明、列車自動控制系統(tǒng)、通信裝置、故障自診斷系統(tǒng)、司機(jī)室設(shè)備等組成。

單軌車輛（Mc 型車為例）車體外形尺寸為14.8 m（13.9 m）×2.98 m×5.30 m。軌面以上車輛高度 3.84 m，車廂地板距軌面高度1.13 m。構(gòu)造速度 80 km/h，最高運(yùn)行速度 75 km/h。車輛為 2 軸轉(zhuǎn)向架，全車 4 根軸，每根車軸軸重為 11.0 t。每列車動力轉(zhuǎn)向架占轉(zhuǎn)向架總數(shù)的 3/4。

2.2 車輛動力牽引配置標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 牽引性能

當(dāng)列車處于超員載荷、輪胎半磨耗狀態(tài)，運(yùn)行在干燥、清潔的平直軌道和額定電壓下，速度從 5 km/h 加速到 30 km/h的平均起動加速度為 0.833 m/s2，沖擊率極限 0.75 m/s3，構(gòu)造速度 80 km/h。

2.2.2 制動性能

車輛設(shè)有常用制動、緊急制動和停放制動。常用制動沖擊率小于等于 0.75 m/s3，對空載至超載的所有負(fù)載，常用制動平均減速度 1.1 m/s2。

緊急制動采用空氣制動，對空載至超載的所有負(fù)載，緊急制動平均減速度為 1.25 m/s2。

2.2.3 列車故障運(yùn)行能力

在坡長不超過 500 m、坡度 60‰ 的坡道上，1 列AW3 載荷并且損失 1/2 動力的列車，能夠起動并且以不低于 15 km/h 的速度沿全線運(yùn)行 1 個往返。

在坡長不超過 500 m、坡度 60‰ 的坡道上，1 列空載（AW0）無故障的列車可以牽引或推進(jìn) 1 列相同數(shù)量車輛編組 AW3 載荷并失去動力的列車，以不低于 15 km/h的速度沿全線運(yùn)行 1 個往返。

2.3 車輛牽引配置可行性

目前牽引供電制式采用 DC 1500V 跨座式單軌制式，在走行梁兩側(cè)絕緣敷設(shè)正、負(fù)極剛性接觸軌。每節(jié)全動力車廂配有 4 臺功率為 105 kW 的牽引電動機(jī)，400 V交流供電；半動力車廂配有 2 臺功率為 105 kW 牽引電動機(jī)，400 V 交流供電。每 2 節(jié)車廂設(shè)置 1 套附屬設(shè)備，功率為110 kW，用于車內(nèi)照明、空調(diào)等功能。

2.3.1 軸重配置可行性

AW3 車輛每節(jié)車重 41.3 t，軸重 11 t，四軸車。若配置 26.7 kW · h 電量，1 200 F單體電容約重 2.3 t。按照上述計算，增加電容（1 200 F）后的重量為 43.6 t，滿足軸重要求。原來單軌車輛內(nèi)有電池組，如全部采用超級電容，該電池組可以取消。

2.3.2 空間配置可行性

1 200 F 單體電容體積 1 076.5 cm3。每組電容80 F/900 V 重量 840 kg，體積 0.65 m3。全動力車廂一節(jié)3 組電容組，總重量為 2.52 t（實際容量為 27 kW · h），占地 1.95 m3。半動力車廂只需要 1.5 組即可滿足容量需求，重量為 1.26 t，占地 1 m3。

2.3.3 供電能力可行性

根據(jù)車輛數(shù)據(jù)可知，原有電池組在無需外接供電情況下，可以維持 50% 的空調(diào)通風(fēng)和全部的通信信號系統(tǒng)供電 45 min。電池組本身的供電能力加上超級電容的供電能力和單軌車到站充電補(bǔ)充的電能，可以維持正常情況下全部空調(diào)和通信信號系統(tǒng)的供電。

如果考慮取消電池組改由超級電容供電，則其相應(yīng)的重量和體積也可以核減用于放置超級電容組。由前面車輛數(shù)據(jù)可知，全車按照 6 節(jié)編組計算，共有 330 kW用于照明和空調(diào)。車頭和車尾為司機(jī)室，是半動力車廂，牽引電機(jī)容量只有210 kW。如果也按照全動力車廂配置超級電容組計算，扣除牽引供電使用的極端情況，還有190×2 = 380 kW 的富裕容量滿足空調(diào)照明等需求，且軸重完全滿足要求。

3 車站接觸網(wǎng)供電模式可行性分析

供電制式如果改為就近 1 kV 低壓電纜供電，將可以規(guī)避主所的建設(shè)以及外電源電纜和路由的建設(shè)。從工程建設(shè)和全壽命周期運(yùn)營角度，2 種供電方式對比如表 3 所示。超級電容供電模式相對于單純的接觸軌供電模式（未考慮能量反饋裝置），建設(shè)投資要稍高一些。雖然取消了接觸軌和牽引變電所，但由于車站增加了充電機(jī)，車輛加裝了超級電容組和電容管理電路，預(yù)估單純的建設(shè)費用將增加。如果考慮每個牽引變電所都安裝能量反饋裝置，此種建設(shè)模式的費用將比安裝充電機(jī)和車輛加裝超級電容的費用要多。

表3 2 種供電方式對比

由于區(qū)間取消了接觸軌，可減掉接觸軌的運(yùn)行維護(hù)成本及職工的維護(hù)作業(yè)成本，在運(yùn)維與安全作業(yè)方面，超級電容 + 車站接觸網(wǎng)供電模式全面優(yōu)于接觸軌供電模式。

超級電容本身具備制動反饋，決定了我們在系統(tǒng)設(shè)計上要比目前的整流接觸軌 + 制動能饋的系統(tǒng)更簡單，使得該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保等方面要優(yōu)于接觸軌供電模式。

4 展望

該供電方式可以推廣到中小型單軌交通（含跨座式和懸掛式），作為一種全線的供電方式使用。后期研究可選擇高架線作為模擬線路，進(jìn)一步深化將超級電容技術(shù)應(yīng)用于不同運(yùn)量單軌系統(tǒng)的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性及安全保障性的分析研究評價工作。