超級(jí)電容在輕軌上應(yīng)用

艾子洋（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130062）

超級(jí)電容在輕軌上應(yīng)用

艾子洋
（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130062）

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來(lái)越重要。從經(jīng)濟(jì)角度看，城市軌道交通系統(tǒng)的能耗最引人關(guān)注，能耗費(fèi)用占了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的相當(dāng)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(gè)重要課題。調(diào)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(shè)備能耗占10%。如果使用超級(jí)電容等能量管理設(shè)備，相當(dāng)一部分電能消耗量就可以在車輛制動(dòng)時(shí)反饋回供電系統(tǒng)，以供給正在加速的車輛使用。此外，由于列車啟動(dòng)和制動(dòng)會(huì)引起電壓的波動(dòng)，若采用合適的能量管理設(shè)備，就可以減小電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，從而提高供電質(zhì)量。本文講述超級(jí)電容在沈陽(yáng)70% 及100%輕軌車上的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)超級(jí)電容的應(yīng)用問(wèn)題和超級(jí)電容常用儲(chǔ)能方式還有雙向變換器的策略進(jìn)行了研究，接著對(duì)電容應(yīng)用在車輛上在廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)的有關(guān)問(wèn)題。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)際的需要，進(jìn)行了輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作。最后保障電容在車輛上應(yīng)用平穩(wěn)。

雙向DC/DC變換器 超級(jí)電容 車載能量管理系統(tǒng) 列車廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1　緒論

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來(lái)越重要。從經(jīng)濟(jì)角度看，城市軌道交通系統(tǒng)的能耗最引人關(guān)注，能耗費(fèi)用占了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的相當(dāng)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(gè)重要課題。

在城市軌道交通中，再生制動(dòng)能量能夠被相鄰列車吸收利用，若不能被完全吸收，那么剩余的再生制動(dòng)能量會(huì)使線網(wǎng)電壓迅速上升，為防止再生失效，通常利用制動(dòng)電阻將剩余能量消耗掉，這造成極大地浪費(fèi)并帶來(lái)溫升的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著超級(jí)電容、飛輪等新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，如何利用儲(chǔ)能裝置吸收利用再生制動(dòng)能量是城軌交通當(dāng)今研究的熱點(diǎn)課題。目前在中國(guó)城市軌道交通市場(chǎng)， 2013年長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司為遼寧省沈陽(yáng)市制造了70%及100%超級(jí)電容輕軌列車并在廠內(nèi)完成了相關(guān)型式試驗(yàn)試驗(yàn)，該車采用超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力能源，在城市軌道交通使用時(shí)過(guò)無(wú)電區(qū)使用。（1）常見(jiàn)儲(chǔ)能方式。城市軌道車輛質(zhì)量較大，運(yùn)行速度較高，所以其制動(dòng)時(shí)的機(jī)械能很大，平均每輛車制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能可達(dá)幾千千焦。而且制動(dòng)時(shí)間還短，這就要求儲(chǔ)能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在制動(dòng)時(shí)間內(nèi)吸收大量能量的功能，并且易于安裝在城市軌道車輛上，易于維護(hù)、保養(yǎng)，使用壽命長(zhǎng)。目前，儲(chǔ)能裝置在我們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣?huì)進(jìn)步中扮演重要的角色。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池，經(jīng)過(guò)歷代的發(fā)展，蓄電池技術(shù)已逐步趨向成熟，性能也趨向穩(wěn)定，不過(guò)受到儲(chǔ)能方式本身特性的限制，一些主要性能總是難以提高，同時(shí)它的環(huán)境污染和腐蝕問(wèn)題在注重環(huán)保的今天，與社會(huì)的進(jìn)步顯得尤為不和諧。所以人們逐漸將目光放在了更加先進(jìn)的儲(chǔ)能方式上。飛輪儲(chǔ)能以及超級(jí)電容儲(chǔ)能是新興儲(chǔ)能方式的代表，它們綠色環(huán)保，符合國(guó)家提倡的可持續(xù)發(fā)展及建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展策略，近年來(lái)得到普遍的重視和大力發(fā)展。（2）超級(jí)電容器。超級(jí)電容器是利用電極和電解液之間形成的界面雙電層來(lái)存儲(chǔ)能量的一種新型電子元件。對(duì)超級(jí)電容的正極板施加的電勢(shì)吸引電解液中的負(fù)離子，而負(fù)極板吸引電解液中的正離子，從而使電極與電解液之間出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲(chǔ)能是通過(guò)使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，儲(chǔ)能機(jī)制過(guò)程中并沒(méi)有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，所以儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲(chǔ)備電荷的能力。（3）超級(jí)電容特性。超級(jí)電容器與市場(chǎng)上出現(xiàn)的其他儲(chǔ)能設(shè)備，如鉛酸蓄電池、錫鎳電池、氫鎳電池等相比，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：1）功率密度高?？蛇_(dá)300W/KG~5000W/KG，相當(dāng)于鉛酸蓄電池的5-10倍。2）充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命可達(dá)萬(wàn)次以上。而目前常用的密封式鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命只有幾百次，使用壽命大約為3-5年。3）充電時(shí)間短。超級(jí)電容完全充電只需數(shù)分鐘甚至幾十秒鐘；而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)才能完成充電。4）可靠性高，免維護(hù)。超級(jí)電容的維護(hù)工作極少，可實(shí)現(xiàn)真正的免維護(hù)，而蓄電池所謂的“免維護(hù)”僅指使用期間無(wú)需加水，在實(shí)際工作中仍必須進(jìn)行定期維護(hù)。 5）環(huán)境溫度對(duì)正常使用的影響不大。超級(jí)電容器正常工作溫度范圍在一40-65℃，而蓄電池則對(duì)溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，平時(shí)不能超過(guò)15-30℃的范圍。6）檢測(cè)方便。超級(jí)電容的容量與其端電壓有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而蓄電池的容量檢測(cè)，不論是離線式還是在線式檢測(cè)，都需要進(jìn)行繁瑣的工作。7）體積小，外形緊湊，便于安裝，節(jié)省空間。

2　超級(jí)電容在輕軌車上實(shí)際調(diào)試應(yīng)用

2.1靜態(tài)功能

在完成文件要求試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加各系統(tǒng)在靜態(tài)條件下的深度試驗(yàn)。（例如門開(kāi)關(guān)1000次，制動(dòng)系統(tǒng)磁軌制動(dòng)下落20次，超級(jí)電容充放電試驗(yàn)10次等試驗(yàn)）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)《70%低地板深度試驗(yàn)說(shuō)明》，對(duì)《深度試驗(yàn)故障記錄單》中提出的問(wèn)題聯(lián)合方法部進(jìn)行技術(shù)分析，并制定解決方案。

2.2動(dòng)態(tài)功能

車輛靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)束后，沈陽(yáng)70%動(dòng)態(tài)DC/DC調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)要求斷開(kāi)VCU電源和BCU電源。斷開(kāi)VCU電源后，車輛屬于網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)，導(dǎo)致IDU顯示屏無(wú)法顯示DC/DC電壓，操作者很難確認(rèn)DC/ DC是否充電正常，所以使用此設(shè)備。

詳細(xì)介紹：（1）該裝置在初送電狀態(tài)下顯示LED顯示為零，兩快電路板電源指示燈均得電。（2）在VCU通訊正常狀態(tài)下IDU顯示DC/DC電壓為401V，該裝置與VCU通訊后顯示電壓為401V與IDU顯示相同。（3）當(dāng)IDU顯示DC/DC電壓超過(guò)500V時(shí)，該裝置顯示電壓與IDU顯示電壓相同，但裝置中蜂鳴器響起，發(fā)光二極管閃爍，告訴操作者DC/DC電壓已經(jīng)超過(guò)500V以上，應(yīng)停止對(duì)超級(jí)電容充電。（4）在動(dòng)態(tài)調(diào)試超級(jí)電容試驗(yàn)時(shí)須斷開(kāi)兩端VCU電源，使網(wǎng)絡(luò)處于異常狀態(tài)，導(dǎo)致IDU通訊中斷。在試驗(yàn)中，無(wú)法確定超級(jí)電容充電電壓，該裝置滿足在網(wǎng)絡(luò)通訊異常時(shí)仍能顯示超級(jí)電容電壓，使操作者能準(zhǔn)確的監(jiān)控超級(jí)電容狀態(tài)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)車輛上相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步觀察超級(jí)電容在車輛應(yīng)用。使車輛在出廠前能夠穩(wěn)定運(yùn)行。到達(dá)用戶現(xiàn)場(chǎng)車輛可以在無(wú)電區(qū)自動(dòng)投入使用。

［1］陳朗.超級(jí)電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.都市快軌交通. 2008（3）.

［2］張慧妍，韋統(tǒng)振，齊智平.超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（8）.

［3］嚴(yán)海旭.一種雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與研究［D］.南京林業(yè)大學(xué)，2012.