喬志軍， 阮殿波

(寧波中車新能源科技有限公司，中國(guó)中車超級(jí)電容儲(chǔ)能及節(jié)能技術(shù)研發(fā)中心， 浙江寧波 315112)

作為一種新型的儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容具有快速充電、高比能量、超高功率(>3 kW/kg)、寬使用溫度(-40 ℃～70 ℃)、超長(zhǎng)壽命(循環(huán)充放電高于5萬(wàn)次)、高安全(滿電穿刺、擠壓等不爆炸)等優(yōu)勢(shì)，因此其既可以實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛在短時(shí)間內(nèi)的高功率牽引及制動(dòng)能量的回饋[1-3]，也可以與電池聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)高功率儲(chǔ)能及能量快速釋放，延長(zhǎng)電池的使用壽命[4]。針對(duì)超級(jí)電容在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，分析超級(jí)電容在有軌電車、地鐵、混合動(dòng)力動(dòng)車組等軌道車輛應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望超級(jí)電容在未來(lái)軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 超級(jí)電容介紹

根據(jù)超級(jí)電容的儲(chǔ)能原理，其可以分為3類：雙電層電容器(EDLC)、贗電容電容器、混合型電容器[5]。EDLC是一種依靠多孔碳電極在充/放電條件下，吸/脫附電解液離子進(jìn)行儲(chǔ)能/釋能的裝置；贗電容電容器是一種依靠金屬氧化物電極在充/放電條件下，電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能器件；混合型電容器是一種依靠正極為EDLC用多孔碳材料，負(fù)極為鋰離子電池正極材料，或者正極為鋰電池正極材料和EDLC用多孔碳的復(fù)合材料，負(fù)極為軟、硬碳等材料進(jìn)行電化學(xué)儲(chǔ)能的器件，前者統(tǒng)稱為鋰離子電容器[6-7]，后者稱為電池電容[8-9]。

EDLC的儲(chǔ)能過程理論上為電子吸附電荷的純物理過程，因此與其他超級(jí)電容相比，其擁有更高的比功率(>10 kW/kg)和更長(zhǎng)的使用壽命(100萬(wàn)次充放電循環(huán))；混合型電容器的儲(chǔ)能過程既有電化學(xué)反應(yīng)，又伴隨物理吸附，因此其具有更高的比能量(>20 kW/kg)，而與贗電容電容器相比，其具有長(zhǎng)的使用壽命(高于5萬(wàn)次的充放電循環(huán))；贗電容電容器的儲(chǔ)能依靠電極表面反應(yīng)，比功率雖然低于EDLC，但高于混合型電容器。根據(jù)不同的市場(chǎng)，可以選擇合適的超級(jí)電容。

2 超級(jí)電容在城市軌道交通中的應(yīng)用

2.1 電網(wǎng)/超級(jí)電容混合牽引型有軌電車

西班牙CAF 公司采用2.7 V/3 000 F超級(jí)電容單體為基礎(chǔ)儲(chǔ)能部件，配置成8.2 kWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)，研制出了電網(wǎng)/超級(jí)電容混合牽引型有軌電車，并于2011年在西班牙塞維利亞運(yùn)營(yíng)。該車在無(wú)網(wǎng)區(qū)段全部采用超級(jí)電容牽引，平均每天無(wú)網(wǎng)運(yùn)行130 km，首次實(shí)現(xiàn)了有軌電車在無(wú)電網(wǎng)區(qū)的電力牽引，起到了調(diào)控道路交通資源，抑制小汽車濫用的作用，取得良好的社會(huì)效益。

圖1 典型電網(wǎng)/超級(jí)電容混合牽引型有軌電車

2012年9月，CAF公司的有軌電車在西班牙薩拉戈薩(如圖1(a))和格拉納達(dá)商業(yè)運(yùn)營(yíng)。薩拉戈薩和格拉納達(dá)有軌電車均裝載8.2 kWh超級(jí)電容組/30 kWh鋰電池組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，分別保障了2.05 km和4.95 km 的無(wú)觸網(wǎng)區(qū)段供電牽引，其中超級(jí)電容組均采用2.7 V/3 000 F超級(jí)電容集成。

2013年中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司研制了中國(guó)第一個(gè)成網(wǎng)運(yùn)行的架空接觸網(wǎng)和超級(jí)電容復(fù)合電源牽引供電型現(xiàn)代有軌電車(如圖1(b))，并在沈陽(yáng)渾南運(yùn)營(yíng)。該有軌電車選擇由2.7 V/3 000 F超級(jí)電容單體組裝的48 V/165 F模組為單元，組裝成1.6 kWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)[10-11]，實(shí)現(xiàn)了有軌電車在無(wú)網(wǎng)區(qū)運(yùn)行以及制動(dòng)能量的回收。

2017年中車大連機(jī)車車輛有限公司開發(fā)了中國(guó)第一個(gè)以地面供電網(wǎng)和超級(jí)電容復(fù)合電源牽引型有軌電車，其利用3 000 F超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)牽引機(jī)車通過路口，避免過路口道岔時(shí)供電銜接不上。目前該車已在珠海1號(hào)線正式上線運(yùn)營(yíng)(如圖1(c))。

隨著電網(wǎng)和超級(jí)電容復(fù)合牽引供電技術(shù)的成熟，眾多城市上線電網(wǎng)/超級(jí)電容混合牽引型有軌電車，例如上海松江、成都R線、云南紅河州線等。

2.2 全程無(wú)網(wǎng)儲(chǔ)能式有軌電車

盡管全世界數(shù)十個(gè)城市在建設(shè)接觸網(wǎng)型有軌電車，然而由于電接觸網(wǎng)的建設(shè)不能避免城市景觀和形象、沿街樹木和建筑、沿海城市臺(tái)風(fēng)的破壞，以及迷蝕電流對(duì)建筑物的損害，同時(shí)部分城市中心廣場(chǎng)或街道不允許設(shè)立接觸網(wǎng)，不利于城市規(guī)劃和布局。

2.2.1純超級(jí)電容動(dòng)力型

2014年中車株洲電力機(jī)車有限公司(株機(jī)公司)發(fā)布了世界首臺(tái)超級(jí)電容全程無(wú)網(wǎng)儲(chǔ)能式100% 現(xiàn)代有軌電車[12]，并于12月在廣州海珠線正式運(yùn)營(yíng)(圖2(a))。海珠線有軌電車采用寧波中車新能源科技有限公司(中車新能源公司)研制的方形2.7 V/7 500 F超級(jí)電容作為主動(dòng)力源，利用30 s站停時(shí)間，以1 800 A電流對(duì)6并344串超級(jí)電容進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)了“即停即充、即充即走”模式。隨后，株機(jī)公司利用中車新能源公司的2.7 V/9 500 F、3 V/12 000 F超級(jí)電容，研制了續(xù)航能力更遠(yuǎn)的儲(chǔ)能式有軌電車，并在江蘇淮安、深圳龍華、武漢大漢陽(yáng)、東莞華為等地上線運(yùn)營(yíng)。

2018年1月武漢中車長(zhǎng)客軌道車輛有限公司生產(chǎn)的東湖“光谷量子號(hào)”超級(jí)電容有軌電車上線運(yùn)行(圖2(b))。該車以上海奧威科技開發(fā)有限公司的4.2 V/28 000 F 電池電容作為儲(chǔ)能元件，其整車儲(chǔ)存能量47.6 kWh。車輛利用站停時(shí)間充電，一次充電可運(yùn)行10 km以上，最高運(yùn)行速度可達(dá)70 km/h[13-16]。

2018年6月中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研制的青海德令哈儲(chǔ)能式有軌電車首列車正式下線(圖2(c))，其配備了中車青島四方車輛研究所有限公司開發(fā)的鋰離子電容器儲(chǔ)能裝置，30 s內(nèi)快速完成充電。

圖2 國(guó)內(nèi)典型超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車

純超級(jí)電容全程無(wú)網(wǎng)儲(chǔ)能式有軌電車不僅取消了接觸網(wǎng)，解決了城市景觀，而且超級(jí)電容的能量回饋利用率高于85%，避免了再生制動(dòng)能量的浪費(fèi)[17-19]。全程無(wú)網(wǎng)儲(chǔ)能式有軌電車的優(yōu)勢(shì)，使其受到廣泛的關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，越來(lái)越多的城市開始設(shè)計(jì)無(wú)網(wǎng)型有軌電車運(yùn)行軌道，例如海南三亞、云南文山、甘肅天水、浙江臺(tái)州、北京順義、四川成都等城市。

2.2.2超級(jí)電容/燃料電池混合動(dòng)力型

2011年西班牙窄軌鐵路公司研制了氫燃料電池有軌電車，載客人數(shù)為20～30人，最高速度達(dá)到20 km/h。該車輛由2節(jié)12 kW的燃料電池供電，制動(dòng)再生能量?jī)?chǔ)存在3個(gè)Maxwell 125 V重型交通運(yùn)輸系列超級(jí)電容器模塊或額定功率為95 kW鋰離子電池內(nèi)。

西南交通大學(xué)和中車唐山機(jī)車車輛有限公司以兩套150 kW的燃料電池系統(tǒng)、800節(jié)10Ah電池和108 個(gè)48 V超級(jí)電容模組(3 000 F單體組成)為有軌電車的三混動(dòng)力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)有軌電車以1 m/s2的加速度持續(xù)加速到70 km/h[20-21]。2017年成功研制了燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力100%低地板有軌電車(圖3(b))，該車運(yùn)行速度可達(dá)70 km/h，列車連續(xù)形成里程可達(dá)40 km以上，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了燃料電池/超級(jí)電容/動(dòng)力電池混合動(dòng)力系統(tǒng)為車輛提供牽引和輔助供電，其中超級(jí)電容系統(tǒng)為車輛起停瞬間提供大功率充放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

2.2.3超級(jí)電容/鋰離子電池混合動(dòng)力型

2015年卡塔爾多哈有軌電車上線運(yùn)行，其牽引動(dòng)力源采用2.7 V/3 000 F超級(jí)電容組與鋰電池組的混合型“Sitras”儲(chǔ)能單元。該項(xiàng)目線路長(zhǎng)度12 km，設(shè)站25個(gè)，在每一站采用750 V直流架空導(dǎo)電軌對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電。

2018年2月臺(tái)灣高雄有軌電車環(huán)線開通，其有軌電車由CAF公司制造，牽引動(dòng)力也是依靠2.7 V/3 000 F超級(jí)電容組與鋰電池組的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)完成。

2018年6月株機(jī)公司自主研制的超級(jí)電容——鋰電池混合動(dòng)力有軌電車下線，其中超級(jí)電容選用3.0 V/12 000 F，鋰電池選用鈦酸鋰電池。

圖3 燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力100%低地板有軌電車

2.3 地鐵制動(dòng)能量回收

由于地鐵列車頻繁制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量再生制動(dòng)能量，造成直流牽引網(wǎng)電壓的抬升，當(dāng)直流牽引網(wǎng)電壓嚴(yán)重過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致再生制動(dòng)失效，從而整個(gè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)的供電都會(huì)受到影響[22-23]。制動(dòng)能量回收可以采用儲(chǔ)能的方式進(jìn)行解決，而超級(jí)電容器是一種具有高功率、高效能、長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能器件，所以在地鐵列車線路中得到廣泛應(yīng)用[23-25]。國(guó)外研究超級(jí)電容能量回收系統(tǒng)比較早，如韓國(guó)宇進(jìn)株式會(huì)社、西門子[26]、龐巴迪等[27-28]，其中韓國(guó)的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)在韓國(guó)11條地鐵線上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，西門子公司的Sitras SES靜態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)已在里斯本、波鴻、科隆、德雷斯頓、馬德里運(yùn)行[29]。我國(guó)第一條超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)線為2007年北京地鐵5 號(hào)線，其采用了西門子公司的Sitras SES系統(tǒng)。

胡敏等[30]研制了一套鋰離子電容器能量回收裝置，其系統(tǒng)電壓范圍為DC 500～820 V，充/放電電流可達(dá)400 A(圖4(a))。該系統(tǒng)已安裝至上海地鐵某線路列車中，充電總最大能量為5.7 kWh。地鐵每次制動(dòng)的總能量可達(dá)到10 kWh，當(dāng)?shù)罔F啟動(dòng)時(shí)，鋰離子電容器可實(shí)現(xiàn)完全放電，回收的能量大約在70%。預(yù)計(jì)每年至少回收68.4×104kWh。

圖4 上海地鐵某線路的鋰離子電容器能量回收裝置(a)、中車青島四方所研制的制動(dòng)能量回收裝置(b)、寧波中車新能源公司研制的地鐵制動(dòng)能量回收裝置(c)

2016年12月17日，專家組對(duì)中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中車青島四方所”等公司聯(lián)合進(jìn)行的再生制動(dòng)能量回收裝置正線試運(yùn)行了評(píng)審，其性能指標(biāo)滿足地鐵掛網(wǎng)要求。北京(750 V超級(jí)電容儲(chǔ)能)、青島(1 500 V超級(jí)電容儲(chǔ)能)等地已裝機(jī)運(yùn)行。同時(shí)中車青島四方和美國(guó)Maxwell公司合作研發(fā)長(zhǎng)沙地鐵的地面制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，其核心儲(chǔ)能器件采用鋰離子電容器。

2016年11月20日，中車新能源公司等公司聯(lián)合研制的1 500 V地鐵列車用超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置在廣州地鐵6號(hào)線潯峰崗站正式掛網(wǎng)運(yùn)行。該裝置每天回收電能約1 500 kWh，能量吸收利用率高于90%，能量釋放利用率高于90%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

隨著列車再生的制動(dòng)能量技術(shù)回收的工業(yè)化和市場(chǎng)化，制動(dòng)能量回收裝置將成為城市軌道交通行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

2.4 地鐵應(yīng)急牽引

超級(jí)電容可以作為地鐵應(yīng)急牽引后備電源使用，其牽引裝置的特點(diǎn)在于：(1)輸出電流大；(2)循環(huán)使用壽命長(zhǎng)；(3)充放電速度快，節(jié)省時(shí)間；(4)節(jié)能環(huán)保。超級(jí)電容緊急牽引主要用途：(1)電網(wǎng)故障時(shí)，地鐵利用超級(jí)電容牽引至車站；(2)列車回庫(kù)時(shí)，可以利用超級(jí)電容牽引進(jìn)入車庫(kù)；(3)解決列車重載負(fù)荷時(shí)不掉電問題。付亞娥等[31]采用7 500 F超級(jí)電容作為應(yīng)急牽引系統(tǒng)的電源，對(duì)應(yīng)急牽引工況進(jìn)行了可靠性研究分析，結(jié)果表明在提供強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，應(yīng)急牽引100 m 距離時(shí)，超級(jí)電容平均發(fā)熱功率達(dá)到826 W，在100 s內(nèi)溫升估算將達(dá)到7 K，可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容對(duì)地鐵車輛進(jìn)行應(yīng)急牽引。

2.5 混合動(dòng)力動(dòng)車組

混合動(dòng)力動(dòng)車組具有大密度、小運(yùn)量、靈活編組等特點(diǎn)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景[32-34]。目前研究較多混合動(dòng)力動(dòng)車組為電網(wǎng)或內(nèi)燃機(jī)與蓄電池的混合，但由于蓄電池的低溫特性和壽命受到極大的限制，因此大功率、長(zhǎng)壽命的超級(jí)電容得到迅速發(fā)展。

2018年6月株機(jī)公司研制的國(guó)際首列以超級(jí)電容為儲(chǔ)能電源的混合動(dòng)力動(dòng)車組正式下線(圖5)。其利用中車新能源公司研制的高比能量60 000 F超級(jí)電容，可以短時(shí)間提供大功率電流，將列車啟動(dòng)加速至120 km/h；列車一次制動(dòng)，超級(jí)電容可以回收16 kWh電能，并可以為列車再次啟動(dòng)、加速提供能量，實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用，減少能源消耗。

圖5 馬來(lái)西亞混合動(dòng)力動(dòng)車組

3 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)超級(jí)電容在軌道交通車輛上的應(yīng)用，尚處于研究和應(yīng)用的起步階段。超級(jí)電容的短板依然是能量密度不足以與鋰離子電池相比，使得有軌電車的續(xù)航能力受到限制，同時(shí)由于超級(jí)電容的成本偏高，造成市場(chǎng)應(yīng)用開發(fā)緩慢，因此發(fā)展兼顧功率密度的高能量密度超級(jí)電容勢(shì)在必行。