1、超級電容在城市軌道交通系統中的應用近年來,為了充分利用城市軌道交通車輛(特別是輕軌和有軌電車)的制動能量,提出了多種能量管理設備,如飛輪、逆變器、超級電容等。下面就超級電容在城市軌道交通中的應用,進行初步分析和探討。1 應用背景      隨著城市人口的膨脹,城市軌道交通顯得越來越重要。我們在建設城市軌道交通時,必須考慮經濟與環境的和諧發展。從經濟角度看,城市軌道交通系統的能耗最引人關注,能耗費用占了運營費用的相當大的部分。怎樣有效利用能源、減少能耗,是擺在我們面前的一個重要課題。調查顯示,在城市軌道車輛的能耗中,牽引能耗占了90%,車輛輔助設備能耗占1

2、0%。如果采取適當的措施,如合理安排車輛運行、使用超級電容等能量管理設備,電能消耗量的40%就可以在車輛制動時反饋回供電系統,以供給正在加速的車輛使用,如圖1所示。      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備,就可以減小電網電壓的波動,從而提高供電質量。2 工作原理及技術特點2.1 工作原理      超級電容器也屬于雙電層電容器,是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種,其基本原理和其他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組成的雙電層結構獲得超大的容量。

3、在傳統物理電容中,儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,極板之間為真空(相對介電常數為1)或被一層介電物質(相對介電常數為)隔離,電容值為      式中,A為極板面積,d為介質厚度;所儲存的能量為E=1/2C(V)2,其中C為電容值,V為極板間的電壓降。可見,若想獲得較大的電容量,儲存更多的能量,必須增大面積A或減少介質厚度d。      在雙電層電容器中,采用活性炭材料制成多孔電極,同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液。當在兩端施加電壓時,相對的多孔電極上分別聚集正負電子,而由于電場作用,電解質溶液中的正

4、負離子將分別聚集到與正負極板相對的界面上,從而形成兩個集電層,相當于兩個電容器串聯,如圖2所示。      由于活性碳材料具有大于等于1 200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質厚度d),從式(1)可以看出,這種雙電層電容器比傳統物理電容器的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能。2.2 技術特點      (1)納米碳電極表面積可以做得很大(3 000 m2/g),而且很輕;  &

5、#160;   (2)兩電極間的距離很小,達1 nm;      (3)電解質的分解電壓:有機電解質為2.53 V,無機電解質為0.71 V;      (4)能量密度相對小(512W·h/kg),但功率密度大(達10 kW /kg),且充電速度快;      (5)充放電是純物理過程離子在電解質中的移動;      (6)內阻非常小,便于實現高功率充放電;      

6、;(7)充放電效率高,工作溫度范圍寬,環境適應性較強。3 工作模式      在城市軌道系統中采用的超級電容主要有兩種工作模式:一種是作為能量儲存器,它吸收了車輛制動過程中產生的能量,直到后面有車輛處于加速狀態時才將能量釋放到供電系統中;一種是作為穩壓器,它總是保持在高容量的狀態,當供電系統的電壓低于規定值時才開始放電。      超級電容系統可以自動地轉換這兩種運行模式,以便完全適應變化的運行要求。3.1 能量儲存模式      如果沒有能量儲存系統(如超級電容),如果同一

7、時間內沒有任何其他車輛處于加速狀態,則制動車輛產生的能量就會通過放熱方式消耗在制動電阻上面。然而,在實際運營中,這些同步的加速和制動并不能完全協調,也就是說,當一列車制動時,不可能總是在同一供電區段內有另外的列車在牽引,因此總是有部分能量以熱量的方式消耗掉。但采用超級電容,可以在制動的過程中把能量儲存下來,當有車輛加速的時候再釋放出去,這就減少了供電所中能量的耗費。      圖3是2001年在德國科隆做的一次測試,從中可以看出:在t1時刻,供電段3處有一列車在加速(I3為正),超級電容處于放電狀態(WSES減小,ISES為負);在t2時刻,供電段2處有

8、一列車在制動(I2為負),超級電容處于充電狀態(WSES增大,ISES為正);在t3時刻,供電段1處有一列車在制動(I1為負),超級電容處于充電狀態(WSES增大,ISES為正);在t4時刻,供電段1處的列車仍在制動,供電段4處的一列車在加速,超級電容立刻從充電狀態轉成放電狀態(WSES減小,ISES為負)。3.2 電壓穩定模式      如果沒有能量儲存系統(如超級電容),當有很多車輛在同一時間內加速時,則系統電壓會降到一個非常嚴重的水平,導致車輛頻繁地低電壓波動,從而在一段時間內影響乘客服務質量。對于這個問題,可以采用超級電容來得到解決。如果系統電壓

9、降到規定的限制值,超級電容將會放電,以提高系統電壓。      圖4是2002年在西班牙首都馬德里地鐵做的一次測試。可以看出:在t1時刻,由于多列車同時加速,導致系統電壓下降至規定的最小值,此時超絕電容開始放電(ISES為負),一直到t2時刻,以保證系統電壓穩定在510 V的水平;當多列車同時加速的狀態結束時,系統電壓回升,超級電容處于充電狀態(通過變電站或列車制動產生再生能量來充電);t3、t4時刻表明,列車制動時充電電流快速上升,超級電容的能量迅速存儲起來。      超級電容保證了系統電壓總是在一個穩定的范圍

10、內,牽引供電系統的有效性增加了。圖5是2002年在西班牙首都馬德里地鐵做測試的結果。可以看出,系統電壓低于490V的情況不再出現,低于530V的情況也大大減少。4 應用現狀4.1 國外技術水平及應用情況      由于制作工藝的差異,國外產品的性能相對要好一些,循環充放電可達50萬次。國外生產大容量超級電容器的廠家主要有美國Maxwell、韓國NESS、俄羅斯ESMA、加拿大龐巴迪、德國西門子等。其中,用在軌道交通領域的主要有西門子公司的SITRAS SES系列和龐巴迪公司的Mitrac系列超級電容產品。據了解,目前在軌道交通領域使用的超級電容,其電壓等

11、級普遍在1 000 V以下。      西門子的產品應用在西班牙的馬德里、德國的波鴻和科隆、美國的波特蘭等城市,其中在馬德里地鐵上使用的超級電容是放置在地面上的,由1 300個電容組成,占地2. 5 m2,容量為2. 3 kW時,功率1 MW,電壓750 V。      2003年,在德國西南部城市曼海姆輕軌交通電氣驅動系統中,做了車載儲能系統的測試。輕軌車輛長29.2 m,重35.8 t。超級電容儲能系統重477 kg,外形尺寸1 900mm×950mm×455mm,安裝在車頂,由640支超級

12、電容器組成,每支1 800 F/2.5V,采用空氣冷卻方式。系統的最大功率300 kW,儲能容量1 kW·h,放電深度50%,釋放能量75%。      為了對比,設定了列車的測試運行曲線:加速至50 km/h,接著惰行,然后制動。先把超級電容儲能系統關斷,測試結果如圖6所示。可以看出,從供電系統獲取的最大功率約為85 kW,只有很少的制動能量被回饋到供電系統。接上超級電容儲能系統,列車仍然按照設定的測試運行曲線運行,測試結果如圖7所示。從供電系統獲取的最大功率約50 kW,幾乎全部的制動能量被儲存到儲能系統。4.2 國內技術水平及應用情況 &

13、#160;     在城市軌道交通領域,國內仍處于研究階段,還沒有成熟產品。目前,國內研究生產的超級電容器主要用在電動汽車、電力系統等領域。其容量和功率相對較小,例如用在電梯節能器上的超級電容器(見圖8),其容量為0.5 kW·h,功率也只有幾十kW。5 應用前景分析5.1 技術分析      超級電容裝置的關鍵技術是串聯均壓技術、充放電控制技術、能量管理技術、儲能模塊優化技術等。這些關鍵技術在國內已有一定的基礎,只要做進一步的研究,就完全可以開發出適合于城市軌道交通系統應用的超級電容裝置。   

14、;   城軌車輛制動能量的利用與行車密度有很大關系。如果行車密度大,例如地鐵車輛的行車間隔普遍可以達到三四分鐘,則列車制動時反饋的電能基本上就能提供給其他正在加速的列車使用。因此,作為儲能裝置的超級電容,更適合于行車密度相對較小的輕軌系統。5.2 經濟分析      目前,國外開發的超級電容裝置價格昂貴,一套超級電容裝置的價格高達幾百萬元。國內的產品價格相對便宜,有的科研單位曾針對超級電容器應用于城市軌道交通系統進行了成本分析。5·2·1 超級電容器安裝在供電系統上      

15、;采用國產不對稱型超級電容器,電壓1 500 V,功率2MW,儲能系統支撐50%的供電功率,持續時間30 s, 所需的總能量為30MJ,選用20 000 F/1.4 V的電容器(放電范圍1.41 V),需要3 000支(2串并聯,每串1 500支),每支電容器400元,共120萬元,再加平衡電路、檢測與控制電路,儲能單元總成本約150萬元。5·2·2 超級電容器安裝在列車上      采用國產不對稱型超級電容器,電壓1 500 V,功率600 kW,儲能系統支撐50%的供電功率,持續時間30 s,所需的總能量為9MJ,選用12 000 F/1. 4 V的電容器(放電范圍1.41V),需要1 500支,1串,每支電容器250元,總計約40萬元,再加平衡電路、檢測與控制電路,儲能單元總成本約50萬元。      可見,如果依靠國內技術成功研制適用于城市軌道交通的超級電容器,可以大大降低設備本身的價格