范曉云，潘文海，薛 川

（廣州有軌電車(chē)有限責(zé)任公司，廣州 510308）

1 研究背景

在“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)背景下，節(jié)能產(chǎn)品迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。有軌電車(chē)通過(guò)加裝車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)或地面儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以充分利用列車(chē)制動(dòng)能量，提升能量管理利用效率，有助于提升車(chē)輛的節(jié)能化和智能化水平，同時(shí)可以減少架空接觸網(wǎng)，達(dá)到美化城市景觀和減少建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本的效果。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，超級(jí)電容及鋰離子電池等多種儲(chǔ)能系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于有軌電車(chē)領(lǐng)域[1-2]。

為滿(mǎn)足有軌電車(chē)應(yīng)用需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要滿(mǎn)足功率密度高、能量密度高、維護(hù)簡(jiǎn)單、全壽命周期成本低等特點(diǎn)[3]。在多種儲(chǔ)能元件中，超級(jí)電容具有功率密度高、充放電速度快、溫度適應(yīng)范圍寬、循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，在有軌電車(chē)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)中有較多應(yīng)用。但由于超級(jí)電容能量密度低，往往需要每站充電，充電裝置配套成本較高。而鋰離子電池能量密度較高，且隨著溫度適應(yīng)性及安全性的優(yōu)化提升，也逐步應(yīng)用于有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)，與超級(jí)電容形成了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在保障系統(tǒng)功率特性的同時(shí)提升了續(xù)航能力[4-5]。此外，電池電容兼具了超級(jí)電容器快速充放電、長(zhǎng)循環(huán)壽命和電池高容量的特點(diǎn)，有望在有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用[6]。

廣州海珠有軌電車(chē)試驗(yàn)段作為國(guó)際首條投入載客運(yùn)營(yíng)的超級(jí)電容儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)項(xiàng)目，在乘客出行體驗(yàn)、節(jié)能環(huán)保、城市景觀提升等方面都具有里程碑式的示范意義。后續(xù)采用該超級(jí)電容式儲(chǔ)能的有軌電車(chē)相繼在武漢漢陽(yáng)、淮安、深圳等地投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)56.2 km，是應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能式技術(shù)方案。武漢東湖、三亞、嘉興等地的有軌電車(chē)則采用了電池電容的技術(shù)方案，兼顧了超級(jí)電容與鋰電池的技術(shù)特性，也是應(yīng)用較為廣泛的一種形式。近年新開(kāi)通的廣州黃埔和德令哈有軌電車(chē)則采用了超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)，是在超級(jí)電容式儲(chǔ)能方案基礎(chǔ)上的一種新嘗試。

筆者基于廣州海珠試驗(yàn)段、廣州黃埔1 號(hào)線及三亞有軌電車(chē)項(xiàng)目的建設(shè)及商業(yè)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)對(duì)比3 種儲(chǔ)能制式在性能特點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)用可靠性、運(yùn)營(yíng)維護(hù)重難點(diǎn)及維護(hù)成本等方面的差異性，以期為后續(xù)新建有軌電車(chē)項(xiàng)目車(chē)輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的選型提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)制式及工作原理

2.1 超級(jí)電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

超級(jí)電容又稱(chēng)電化學(xué)電容器，是介于電池與電容器之間的新型物理儲(chǔ)能器件，具有綠色環(huán)保、低內(nèi)阻、充放電效率高以及長(zhǎng)壽命等特性，通過(guò)電極表面與電解液間形成雙電層儲(chǔ)存能量，主要的電極材料為多孔活性炭。充電時(shí)，電解質(zhì)表面的電荷在一定的電壓下，被雙電層電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)拉到靠近它且極性相反的電極上，形成穩(wěn)定的雙電荷層；放電時(shí)，正、負(fù)電極上的電荷漂移在外電路形成電流，具體工作原理如圖1所示[7]。

圖1 雙電層電容器的工作原理 Figure 1 Working principle of the electric double layer capacitor

由于超級(jí)電容器單體工作電壓不高，因此，為滿(mǎn)足儲(chǔ)能式有軌電車(chē)對(duì)儲(chǔ)能容量及電壓等級(jí)的要求，超級(jí)電容系統(tǒng)需采用多個(gè)超級(jí)電容以單體串、并聯(lián)方式構(gòu)成[8]。

廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)采用4 模塊編組形式，包括3 節(jié)動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊。整車(chē)配備3 個(gè)儲(chǔ)能電源箱，分別安裝在2 節(jié)頭車(chē)動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊上。儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)超級(jí)電容的單體規(guī)格為7 500 F，整個(gè)系統(tǒng)主要由超級(jí)電容模組、主控模塊(包含主控單元、輔控單元和模組間的電壓均衡單元)、采樣控制單元、熔斷器、電壓及電流傳感器和散熱風(fēng)扇等設(shè)備構(gòu)成，如圖2 所示。系統(tǒng)工作電壓范圍為500～900 V，額定電流600 A，在充滿(mǎn)電的工況下可用儲(chǔ)能電量約10 kW·h[2]。

圖2 廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng) Figure 2 Supercapacitor energy storage system of trams in Guangzhou Haizhu Test Section

2.2 超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

為彌補(bǔ)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度較低的問(wèn)題，廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車(chē)采用了超級(jí)電容與鈦酸鋰電池共同參與供電的儲(chǔ)能制式。其中，超級(jí)電容作為車(chē)輛運(yùn)行期間的主要儲(chǔ)能設(shè)備，在能量不足時(shí)，通過(guò)鈦酸鋰電池進(jìn)行補(bǔ)充，鈦酸鋰電池與高壓母線之間通過(guò)雙向DC/DC 變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)接通和關(guān)斷。

鋰離子電池實(shí)際上是一種濃差電池：充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入到負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保持負(fù)極的電平衡；放電時(shí)則相反，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入到正極，正極處于富鋰態(tài)，工作原理如圖3 所示[9]。鈦酸鋰電池即負(fù)極采用鈦酸鋰材料的鋰離子電池，與碳材料負(fù)極電池相比，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、倍率性能好、低溫特性好、安全性高的特點(diǎn)[10]。

圖3 鋰離子電池的工作原理 Figure 3 Working principle of the lithium-ion battery

廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車(chē)同樣采用4 模塊編組形式，包括3 節(jié)動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊。在2 節(jié)頭車(chē)動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊上，各安裝1 個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能電源箱。該超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)為廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)升級(jí)版，內(nèi)部超級(jí)電容單體規(guī)格為9 500 F，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，工作電壓范圍為500～900 V，額定電流600 A，可儲(chǔ)能電量約12.9 kW·h。此外，車(chē)輛中間的動(dòng)力模塊配置了鈦酸鋰電池儲(chǔ)能電源箱，內(nèi)部單體規(guī)格為25 A·h/2.35 V，電池系統(tǒng)工作電壓范圍為360～477 V，額定電流300 A，可儲(chǔ)能電量約33.8 kW·h。在充滿(mǎn)電的工況下，整車(chē)總儲(chǔ)能電量約為46.7 kW·h。

與單純超級(jí)電容系統(tǒng)相比，超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電策略更為復(fù)雜。在車(chē)輛到達(dá)車(chē)站后，受電器從接觸線取電，并優(yōu)先為超級(jí)電容系統(tǒng)充電，電量達(dá)到設(shè)定閾值后控制雙向DC/DC裝置開(kāi)通，繼續(xù)給鈦酸鋰電池充電；在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)超級(jí)電容電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，由鈦酸鋰電池通過(guò)雙向DC/DC 接入高壓母線，并為超級(jí)電容補(bǔ)電，進(jìn)而滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的電量需求，供電原理如圖4所示。

圖4 超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電原理 Figure 4 Schematic diagram of power supply for hybrid energy storage system with supercapacitor and lithium titanate battery

2.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池電容是一種介于超級(jí)電容器和鋰離子電池之間的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有低電阻、高能量密度、快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，該種電容器的正極主要采用雙電層儲(chǔ)能，負(fù)極采用可實(shí)現(xiàn)大倍率充放電快速脫嵌鋰離子儲(chǔ)能的技術(shù)路線，通過(guò)電化學(xué)混合電極材料，在一個(gè)電解池中實(shí)現(xiàn)鋰離子電池和超級(jí)電容器的原理和技術(shù)的結(jié)合，使其在保持超級(jí)電容器高比功率、長(zhǎng)壽命和快速充電特性的同時(shí)，大幅度提高比能量，工作原理如圖5 所示[11]。

圖5 電池電容器工作原理 Figure 5 Working principle of the battery capacitor

三亞有軌電車(chē)采用5 模塊編組形式，包括2 節(jié)動(dòng)力模塊，1 節(jié)非動(dòng)力模塊以及2 節(jié)懸浮模塊。車(chē)輛配備一大一小2 個(gè)電池電容儲(chǔ)能電源箱，分別安裝在MC1 和MC2 車(chē)頂部。電源箱內(nèi)模組標(biāo)稱(chēng)容量為9 300 F，構(gòu)成大電容箱額定電流為300 A，小電容箱額定電流為200 A。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作電壓范圍為616～820 V，充滿(mǎn)電后有效儲(chǔ)存電量約為47.6 kW·h。

2.4 3 種儲(chǔ)能系統(tǒng)制式技術(shù)參數(shù)對(duì)比

綜上所述，廣州海珠試驗(yàn)段、廣州黃埔1 號(hào)線以及三亞有軌電車(chē)3 個(gè)項(xiàng)目采用了3 種不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)制式，對(duì)比各項(xiàng)目的車(chē)輛主要能耗參數(shù)及各儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如表1、2 所示。

表1 3 條線路車(chē)輛能耗參數(shù)的對(duì)比 Table 1 Comparison of technical parameters of three project trams

表2 3 種儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的對(duì)比 Table 2 Comparison of technical parameters of three energy storage systems

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)用維護(hù)及可靠性分析

3.1 運(yùn)用維護(hù)過(guò)程難點(diǎn)分析

3.1.1 超級(jí)電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于低地板車(chē)輛設(shè)備布置空間有限，只能采取緊湊型的設(shè)計(jì)。海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)儲(chǔ)能電源箱體內(nèi)超級(jí)電容的安裝設(shè)計(jì)為上下2 層，其中1～22 模組在下層、23～43 模組在上層。在日常檢查和維護(hù)時(shí)，需要先將上層模組拆下，才能對(duì)下層模組及電容單體、聯(lián)接銅排、均衡單元、線纜等設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，下層模組維護(hù)和檢修難度較大。另外，超級(jí)電容系統(tǒng)無(wú)法設(shè)置手動(dòng)斷電隔離開(kāi)關(guān)，每次進(jìn)行車(chē)頂檢修作業(yè)時(shí)，需將超級(jí)電容的剩余電量完全放空，作業(yè)完畢后再進(jìn)行充電，一次充放電耗時(shí)約1 h，對(duì)檢修作業(yè)的效率造成一定的影響。

3.1.2 超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

1) 對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，黃埔1 號(hào)線超級(jí)電容系統(tǒng)布置與海珠試驗(yàn)段情況類(lèi)似，下層模組檢查難度和維護(hù)復(fù)雜度較高，車(chē)頂檢修作業(yè)需要充放電操作，影響效率。此外，超級(jí)電容緊急放電接口在箱體頂部，作業(yè)人員需要爬梯，并要站在超級(jí)電容箱的蓋板上進(jìn)行操作，存在一定的安全隱患，需要加強(qiáng)對(duì)作業(yè)人員的安全操作培訓(xùn)，在保證其正確穿戴絕緣防護(hù)用具后才能開(kāi)展作業(yè)。

2) 對(duì)鈦酸鋰電池系統(tǒng)而言，日常維護(hù)時(shí)讀取鈦酸鋰電池的內(nèi)部歷史數(shù)據(jù)，需要到車(chē)頂取出箱體內(nèi)的內(nèi)存卡讀取，作業(yè)較為不便。此外，由于鋰電池電量無(wú)法完全放空，在車(chē)頂作業(yè)前必須拔下電池箱外部的兩個(gè)維護(hù)開(kāi)關(guān)，這同樣需要加強(qiáng)人員作業(yè)的安全培訓(xùn)和管控。

3.1.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于電池電容自放電等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部存在一致性差異。因此，三亞有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)在投入使用期間或封存過(guò)程中，需定期進(jìn)行系統(tǒng)壓差檢查，當(dāng)壓差超過(guò)限值，應(yīng)啟動(dòng)均衡系統(tǒng)，直至壓差恢復(fù)至限值內(nèi)。此外，電池電容與鋰電池具有相似的電化學(xué)特性，電量無(wú)法完全放空，在進(jìn)行放電作業(yè)時(shí)，需要通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)切斷供電回路，并降低系統(tǒng)電壓，其安全操作風(fēng)險(xiǎn)與鈦酸鋰電池相似。

3.2 車(chē)輛儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性分析

3.2.1 超級(jí)電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

海珠試驗(yàn)段作為全球第一個(gè)運(yùn)用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)的有軌電車(chē)項(xiàng)目，于2014 年12 月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，共配屬7 列車(chē)。項(xiàng)目開(kāi)通初期儲(chǔ)能系統(tǒng)故障率稍高，在完成均衡單元換型整改后，自2016 年開(kāi)始故障率大幅下降，近年來(lái)設(shè)備表現(xiàn)已進(jìn)入穩(wěn)定期。近5 年的正線故障率在0.18～0.28 次/(列·萬(wàn)公里)之間，可靠性得到了充分證明。

3.2.2 超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

作為混合供電系統(tǒng)的項(xiàng)目，廣州黃埔有軌電車(chē)1 號(hào)線在國(guó)內(nèi)第一個(gè)運(yùn)用超級(jí)電容和鈦酸鋰電池。該項(xiàng)目于2020 年7 月開(kāi)通首通段，2020 年底全線開(kāi)通，共配屬16 列車(chē)。超級(jí)電容和鈦酸鋰電池的能力分配策略，給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選型、調(diào)試驗(yàn)證及日常維護(hù)方面帶來(lái)了挑戰(zhàn)。車(chē)輛運(yùn)營(yíng)初期故障率較高，尤其是雙向DC/DC 變換器的軟件、硬件調(diào)試以及混合供電策略的制定等各方面均需要調(diào)試磨合。隨著對(duì)系統(tǒng)問(wèn)題的持續(xù)調(diào)查和分析，主要問(wèn)題都已經(jīng)得到有效解決，目前該混合供電系統(tǒng)的整體表現(xiàn)穩(wěn)定。近半年的正線故障率約為0.31 次/(列·萬(wàn)公里)，逐漸接近于海珠線的故障率。

3.2.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

三亞有軌電車(chē)示范線項(xiàng)目于2020 年10 月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，共配屬11 列車(chē)，期間電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)共發(fā)生24 起故障。其中，故障率較高的是儲(chǔ)能模塊和子節(jié)點(diǎn)，故障原因主要是電容單體存在壓差，現(xiàn)已通過(guò)技術(shù)改進(jìn)得到解決。目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)整體表現(xiàn)穩(wěn)定，近一年正線故障率約為0.25 次/(列·萬(wàn)公里)。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命及成本分析

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)

4.1.1 超級(jí)電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

在海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)運(yùn)行期間，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)持續(xù)組織對(duì)超級(jí)電容模組衰退情況進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，過(guò)程中抽選6 組超級(jí)電容，測(cè)試并統(tǒng)計(jì)其容量和內(nèi)阻的變化情況，結(jié)果如圖6、7 所示。

圖6 電容容量的變化 Figure 6 Capacitance variation of a capacitor

圖7 電容內(nèi)阻的變化 Figure 7 Internal resistance variation of a capacitor

在跟蹤期6 年內(nèi)，被測(cè)超級(jí)電容的容量平均值為1 732.7 F，容量衰減比值的平均值為7.59%(標(biāo)稱(chēng)值為1 875 F)，內(nèi)阻平均值為1.283 mΩ(標(biāo)稱(chēng)內(nèi)阻≤1.3 mΩ)。整車(chē)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命終止條件為，容量衰減20%，內(nèi)阻升高到200%，根據(jù)運(yùn)營(yíng)6 年間測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)及擬合預(yù)測(cè)分析，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可以滿(mǎn)足10 年設(shè)計(jì)使用壽命。

4.1.2 超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

廣州黃埔1號(hào)線有軌電車(chē)所用超級(jí)電容系統(tǒng)為海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)的升級(jí)版，其單體工作原理和結(jié)構(gòu)特性與海珠試驗(yàn)段的有軌電車(chē)類(lèi)似，根據(jù)海珠線有軌電車(chē)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)衰退測(cè)試結(jié)果的類(lèi)比推測(cè)，廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容部分，可以滿(mǎn)足10 年設(shè)計(jì)使用需求。為分析混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合使用壽命，廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車(chē)在投入初期運(yùn)營(yíng)1 年后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)組織對(duì)鈦酸鋰電池模組返廠進(jìn)行了容量抽樣檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 電池模組容量衰退結(jié)果 Table 3 Capacity decay of battery module

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)1 年后，鈦酸鋰電池模組的容量變化在1%左右，表明有軌電車(chē)運(yùn)行工況造成的電池衰退極小，再結(jié)合鈦酸鋰電池壽命特性預(yù)測(cè)分析，證明鈦酸鋰電池系統(tǒng)可以滿(mǎn)足10 年設(shè)計(jì)使用壽命(容量滿(mǎn)足大于出廠測(cè)試標(biāo)稱(chēng)容量的80%)。

4.1.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

為評(píng)估的三亞有軌電車(chē)電池電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能衰減情況，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選取運(yùn)營(yíng)公里數(shù)較多的T01 車(chē)隨機(jī)抽取6 個(gè)模組，采用與出廠性能檢測(cè)相同的方法重新進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，結(jié)果如表4 所示。

表4 電池型超級(jí)電容模組衰退結(jié)果 Table 4 Decline of the hybrid supercapacitor module

經(jīng)測(cè)試，三亞有軌電車(chē)儲(chǔ)能模組的容量保持率基本維持在95%左右，內(nèi)阻變化在120%～135%之間，目前可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從衰減情況看，電池電容明顯大于超級(jí)電容，是否能滿(mǎn)足10 年設(shè)計(jì)壽命還需繼續(xù)觀察。

從上述各制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的衰減評(píng)估情況看，在整車(chē)一個(gè)壽命期30 年內(nèi)，超級(jí)電容、鈦酸鋰電池均需要更新2 次，電池電容需要更換2～3 次。超級(jí)電容與鈦酸鋰電池相配合的混合供電系統(tǒng)，因多增加了一套雙向DC/DC 變換器，在整車(chē)壽命期內(nèi)，雙向DC/DC 變換器需更新一次，所以整個(gè)系統(tǒng)的全壽命周期的更新成本會(huì)相應(yīng)增加。

4.2 供電系統(tǒng)的對(duì)比分析

與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)有軌電車(chē)相比，儲(chǔ)能式有軌電車(chē)因?yàn)榱熊?chē)自帶儲(chǔ)能的先天優(yōu)勢(shì)，對(duì)地面供電系統(tǒng)的依賴(lài)性有所降低。地面任一充電站故障，列車(chē)可利用自身儲(chǔ)能，越站通過(guò)到下一站充電，保持運(yùn)營(yíng)服務(wù)不變，這也是儲(chǔ)能式有軌電車(chē)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則之一。

3 條線路的地面供電系統(tǒng)對(duì)比如表5 所示。在3條線路中，廣州海珠試驗(yàn)段列車(chē)的儲(chǔ)存電量不多，因此在該項(xiàng)目每個(gè)車(chē)站均設(shè)置了充電站。降壓變電所和充電站合并設(shè)置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，區(qū)間電纜較少。黃埔1 號(hào)線以海珠線為基礎(chǔ)，列車(chē)儲(chǔ)能仍以超級(jí)電容為主，在部分距離較短的車(chē)站不設(shè)置充電站，使充電站數(shù)量有所降低。

表5 3 種線路的地面供電系統(tǒng)對(duì)比 Table 5 Comparison of ground power supply system of three lines

三亞有軌電車(chē)車(chē)輛的電池電容儲(chǔ)能最多，采用了淺充淺放策略，有利于延長(zhǎng)電池電容壽命，并減少在終點(diǎn)站充電等待時(shí)間，也設(shè)置了10 個(gè)充電站，充電站和車(chē)站的比例與黃埔1 號(hào)線相當(dāng)。降壓變電所集中設(shè)置，需要大量的電纜連接變電所、充電站和車(chē)站，全線電纜敷設(shè)量大，提高了造價(jià)也增加了維護(hù)量。

由此可見(jiàn)，充電站數(shù)量與車(chē)載電量密切相關(guān)，混合式儲(chǔ)能和電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)均減少了1/3 的充電站。另外，值得注意的是，三亞有軌電車(chē)的供電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，交流AC10 kV和直流1 500 V 均分別采用單母線分段方案，系統(tǒng)冗余度更高。但是，對(duì)于儲(chǔ)能式列車(chē)來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能系統(tǒng)是冗余度較高的設(shè)計(jì)，均具備滿(mǎn)足正常運(yùn)營(yíng)2～3 個(gè)甚至更多充電區(qū)間的能力，因此適當(dāng)簡(jiǎn)化供電系統(tǒng)，將是以后儲(chǔ)能式有軌電車(chē)工程的一個(gè)發(fā)展方向。

5 不同制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合對(duì)比

以廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)、黃埔1 號(hào)線有軌電車(chē)及三亞有軌電車(chē)3 個(gè)項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)不同制式的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 從可靠性角度分析，廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過(guò)7 年的運(yùn)用考核，設(shè)備僅在初期磨合階段故障率較高，后來(lái)逐漸趨于穩(wěn)定，且同類(lèi)超級(jí)電容產(chǎn)品在深圳龍華、江蘇淮安運(yùn)用的時(shí)間均較長(zhǎng)，可靠性已得到充分的驗(yàn)證；黃埔1 號(hào)線有軌電車(chē)采用混合供電系統(tǒng)，由于是國(guó)內(nèi)第一次運(yùn)用，運(yùn)營(yíng)至今約一年半時(shí)間，故障率稍高，已采取了相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)，使現(xiàn)有的問(wèn)題得以解決，后續(xù)的表現(xiàn)仍有待于進(jìn)一步跟蹤評(píng)估；三亞有軌電車(chē)電池電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，在運(yùn)用初期個(gè)別設(shè)備存在故障率較高的情況，但磨合期過(guò)后整體上表現(xiàn)穩(wěn)定。

2) 從可維護(hù)性的角度分析，因低地板有軌電車(chē)的車(chē)頂空間限制，模組均為層疊擺放，下層模組的維護(hù)都是難點(diǎn)。此外，黃埔1 號(hào)線有軌電車(chē)鈦酸鋰電池、三亞有軌電車(chē)電池電容的電量無(wú)法放空，檢修時(shí)需增加一步切斷高壓回路的操作，對(duì)檢修維護(hù)人員的安全操作管控和培訓(xùn)顯得尤為重要。

3) 從全壽命周期設(shè)備維護(hù)成本角度分析，超級(jí)電容衰減情況穩(wěn)定可靠，全壽命周期內(nèi)更換2 次即可。電池電容的衰減相比超級(jí)電容的衰減要大，全壽命周期內(nèi)需更換2～3 次，具體壽命情況仍需保持跟蹤。在儲(chǔ)能器件能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壽命的前提下，超級(jí)電容與鈦酸鋰電池混合供電系統(tǒng)需增加雙向DC/DC 變換器的定期更新成本。此外，產(chǎn)品壽命到期更新時(shí)可能存在技術(shù)的升級(jí)迭代，后續(xù)有待于結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際壽命情況及行業(yè)技術(shù)動(dòng)態(tài)做進(jìn)一步評(píng)估。

6 總結(jié)與展望

在新線設(shè)計(jì)以節(jié)能減排和節(jié)約建設(shè)投資為原則的大趨勢(shì)下，有軌電車(chē)對(duì)車(chē)輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的續(xù)航能力有著更高的要求，但儲(chǔ)能產(chǎn)品的選用除了要盡可能兼顧高能量密度與高功率密度外，也需要考慮產(chǎn)品運(yùn)用的安全性、可靠性和日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。通過(guò)對(duì)3 條線路不同制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的對(duì)比分析，從設(shè)備運(yùn)用可靠性和運(yùn)營(yíng)設(shè)備管理難度的角度來(lái)看，單一制式的超級(jí)電容或電池電容儲(chǔ)能系統(tǒng)比混合儲(chǔ)能系統(tǒng)要更具優(yōu)勢(shì)；但受制于超級(jí)電容的技術(shù)特性及車(chē)頂設(shè)備的布置空間，超級(jí)電容系統(tǒng)的長(zhǎng)續(xù)航能力仍有待提高，相比之下電池電容及混合供電系統(tǒng)具備更優(yōu)的續(xù)航能力。從地面供電系統(tǒng)建設(shè)成本方面看，混合供電系統(tǒng)成本最低，但在全壽命周期維護(hù)成本方面，還需要?jiǎng)討B(tài)評(píng)估整個(gè)壽命期內(nèi)各制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量衰減情況及行業(yè)發(fā)展情況，然后再進(jìn)行深入的對(duì)比分析。

綜上所述，在新線項(xiàng)目設(shè)計(jì)調(diào)研的初期，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)需要綜合建設(shè)投資、產(chǎn)品運(yùn)用可靠性、可維護(hù)性及全壽命周期成本等多個(gè)因素，進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的評(píng)估考量，選擇相對(duì)合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)制式。此外，建議新線路增加車(chē)輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)跟蹤分析功能，為儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估積累歷史數(shù)據(jù)，并持續(xù)跟蹤車(chē)輛儲(chǔ)能系統(tǒng)行業(yè)動(dòng)態(tài)和技術(shù)革新的進(jìn)展，為后續(xù)車(chē)

輛儲(chǔ)能系統(tǒng)制式選擇提供更多的技術(shù)支撐和依據(jù)。