超級電容在城市軌道交通車輛中的應用進展*

喬志軍， 阮殿波

(寧波中車新能源科技有限公司，中國中車超級電容儲能及節(jié)能技術研發(fā)中心， 浙江寧波 315112)

作為一種新型的儲能裝置，超級電容具有快速充電、高比能量、超高功率(>3 kW/kg)、寬使用溫度(-40 ℃～70 ℃)、超長壽命(循環(huán)充放電高于5萬次)、高安全(滿電穿刺、擠壓等不爆炸)等優(yōu)勢，因此其既可以實現(xiàn)城市軌道交通車輛在短時間內的高功率牽引及制動能量的回饋[1-3]，也可以與電池聯(lián)用，實現(xiàn)高功率儲能及能量快速釋放，延長電池的使用壽命[4]。針對超級電容在城市軌道交通領域的應用，分析超級電容在有軌電車、地鐵、混合動力動車組等軌道車輛應用中的優(yōu)缺點，并展望超級電容在未來軌道交通領域的發(fā)展方向。

1 超級電容介紹

根據(jù)超級電容的儲能原理，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/脫附電解液離子進行儲能/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)生氧化還原反應的儲能器件；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用多孔碳的復合材料，負極為軟、硬碳等材料進行電化學儲能的器件，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，因此與其他超級電容相比，其擁有更高的比功率(>10 kW/kg)和更長的使用壽命(100萬次充放電循環(huán))；混合型電容器的儲能過程既有電化學反應，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，其具有長的使用壽命(高于5萬次的充放電循環(huán))；贗電容電容器的儲能依靠電極表面反應，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，可以選擇合適的超級電容。

2 超級電容在城市軌道交通中的應用

2.1 電網(wǎng)/超級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超級電容單體為基礎儲能部件，配置成8.2 kWh的儲能系統(tǒng)，研制出了電網(wǎng)/超級電容混合牽引型有軌電車，并于2011年在西班牙塞維利亞運營。該車在無網(wǎng)區(qū)段全部采用超級電容牽引，平均每天無網(wǎng)運行130 km，首次實現(xiàn)了有軌電車在無電網(wǎng)區(qū)的電力牽引，起到了調控道路交通資源，抑制小汽車濫用的作用，取得良好的社會效益。

圖1 典型電網(wǎng)/超級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))和格拉納達商業(yè)運營。薩拉戈薩和格拉納達有軌電車均裝載8.2 kWh超級電容組/30 kWh鋰電池組混合儲能系統(tǒng)，分別保障了2.05 km和4.95 km 的無觸網(wǎng)區(qū)段供電牽引，其中超級電容組均采用2.7 V/3 000 F超級電容集成。

2013年中車長春軌道客車股份有限公司研制了中國第一個成網(wǎng)運行的架空接觸網(wǎng)和超級電容復合電源牽引供電型現(xiàn)代有軌電車(如圖1(b))，并在沈陽渾南運營。該有軌電車選擇由2.7 V/3 000 F超級電容單體組裝的48 V/165 F模組為單元，組裝成1.6 kWh的儲能系統(tǒng)[10-11]，實現(xiàn)了有軌電車在無網(wǎng)區(qū)運行以及制動能量的回收。

2017年中車大連機車車輛有限公司開發(fā)了中國第一個以地面供電網(wǎng)和超級電容復合電源牽引型有軌電車，其利用3 000 F超級電容儲能系統(tǒng)牽引機車通過路口，避免過路口道岔時供電銜接不上。目前該車已在珠海1號線正式上線運營(如圖1(c))。

隨著電網(wǎng)和超級電容復合牽引供電技術的成熟，眾多城市上線電網(wǎng)/超級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 全程無網(wǎng)儲能式有軌電車

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

2.2.1純超級電容動力型

2014年中車株洲電力機車有限公司(株機公司)發(fā)布了世界首臺超級電容全程無網(wǎng)儲能式100% 現(xiàn)代有軌電車[12]，并于12月在廣州海珠線正式運營(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超級電容作為主動力源，利用30 s站停時間，以1 800 A電流對6并344串超級電容進行充電，實現(xiàn)了“即停即充、即充即走”模式。隨后，株機公司利用中車新能源公司的2.7 V/9 500 F、3 V/12 000 F超級電容，研制了續(xù)航能力更遠的儲能式有軌電車，并在江蘇淮安、深圳龍華、武漢大漢陽、東莞華為等地上線運營。

2018年1月武漢中車長客軌道車輛有限公司生產(chǎn)的東湖“光谷量子號”超級電容有軌電車上線運行(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 電池電容作為儲能元件，其整車儲存能量47.6 kWh。車輛利用站停時間充電，一次充電可運行10 km以上，最高運行速度可達70 km/h[13-16]。

2018年6月中車青島四方機車車輛股份有限公司研制的青海德令哈儲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)的鋰離子電容器儲能裝置，30 s內快速完成充電。

圖2 國內典型超級電容儲能式有軌電車

純超級電容全程無網(wǎng)儲能式有軌電車不僅取消了接觸網(wǎng)，解決了城市景觀，而且超級電容的能量回饋利用率高于85%，避免了再生制動能量的浪費[17-19]。全程無網(wǎng)儲能式有軌電車的優(yōu)勢，使其受到廣泛的關注。在國內，越來越多的城市開始設計無網(wǎng)型有軌電車運行軌道，例如海南三亞、云南文山、甘肅天水、浙江臺州、北京順義、四川成都等城市。

2.2.2超級電容/燃料電池混合動力型

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，最高速度達到20 km/h。該車輛由2節(jié)12 kW的燃料電池供電，制動再生能量儲存在3個Maxwell 125 V重型交通運輸系列超級電容器模塊或額定功率為95 kW鋰離子電池內。

西南交通大學和中車唐山機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48 V超級電容模組(3 000 F單體組成)為有軌電車的三混動力系統(tǒng)，可以實現(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/超級電容混合動力100%低地板有軌電車(圖3(b))，該車運行速度可達70 km/h，列車連續(xù)形成里程可達40 km以上，在國內首次實現(xiàn)了燃料電池/超級電容/動力電池混合動力系統(tǒng)為車輛提供牽引和輔助供電，其中超級電容系統(tǒng)為車輛起停瞬間提供大功率充放電，延長電池的使用壽命。

2.2.3超級電容/鋰離子電池混合動力型

2015年卡塔爾多哈有軌電車上線運行，其牽引動力源采用2.7 V/3 000 F超級電容組與鋰電池組的混合型“Sitras”儲能單元。該項目線路長度12 km，設站25個，在每一站采用750 V直流架空導電軌對儲能系統(tǒng)進行充電。

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

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

圖3 燃料電池/超級電容混合動力100%低地板有軌電車

2.3 地鐵制動能量回收

由于地鐵列車頻繁制動時會產(chǎn)生大量再生制動能量，造成直流牽引網(wǎng)電壓的抬升，當直流牽引網(wǎng)電壓嚴重過高時，會導致再生制動失效，從而整個軌道交通網(wǎng)絡的供電都會受到影響[22-23]。制動能量回收可以采用儲能的方式進行解決，而超級電容器是一種具有高功率、高效能、長壽命的儲能器件，所以在地鐵列車線路中得到廣泛應用[23-25]。國外研究超級電容能量回收系統(tǒng)比較早，如韓國宇進株式會社、西門子[26]、龐巴迪等[27-28]，其中韓國的制動能量回饋系統(tǒng)在韓國11條地鐵線上實現(xiàn)了應用，西門子公司的Sitras SES靜態(tài)儲能系統(tǒng)已在里斯本、波鴻、科隆、德雷斯頓、馬德里運行[29]。我國第一條超級電容器儲能系統(tǒng)線為2007年北京地鐵5 號線，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。地鐵每次制動的總能量可達到10 kWh，當?shù)罔F啟動時，鋰離子電容器可實現(xiàn)完全放電，回收的能量大約在70%。預計每年至少回收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能量回收裝置(b)、寧波中車新能源公司研制的地鐵制動能量回收裝置(c)

2016年12月17日，專家組對中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡稱“中車青島四方所”等公司聯(lián)合進行的再生制動能量回收裝置正線試運行了評審，其性能指標滿足地鐵掛網(wǎng)要求。北京(750 V超級電容儲能)、青島(1 500 V超級電容儲能)等地已裝機運行。同時中車青島四方和美國Maxwell公司合作研發(fā)長沙地鐵的地面制動能量回收系統(tǒng)，其核心儲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地鐵列車用超級電容器儲能裝置在廣州地鐵6號線潯峰崗站正式掛網(wǎng)運行。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)濟效益和環(huán)境效益。

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

2.4 地鐵應急牽引

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

2.5 混合動力動車組

混合動力動車組具有大密度、小運量、靈活編組等特點，因此具有廣闊的市場前景[32-34]。目前研究較多混合動力動車組為電網(wǎng)或內燃機與蓄電池的混合，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、長壽命的超級電容得到迅速發(fā)展。

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

圖5 馬來西亞混合動力動車組

3 結束語

國內超級電容在軌道交通車輛上的應用，尚處于研究和應用的起步階段。超級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，同時由于超級電容的成本偏高，造成市場應用開發(fā)緩慢，因此發(fā)展兼顧功率密度的高能量密度超級電容勢在必行。