城市軌道交通車輛儲能技術(shù)簡析

蔡政　李臣

摘要：城市軌道交通作為城市交通運輸?shù)闹饕绞?，在提高了城市發(fā)展節(jié)奏的同時，也消耗了巨大的能量。所以在城市軌道交通中，儲能技術(shù)不但能夠減少能源的消耗，同時還能夠使車輛運行狀態(tài)更加平穩(wěn)，對城市軌道交通的發(fā)展具有非常重要的意義。本文對城市軌道交通車倆儲能技術(shù)進行探究，為城市軌道交通的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;車輛;儲能技術(shù)

城市軌道交通區(qū)別于長距離的軌道交通，由于車站間距短，運行密度高，所以在車輛的頻繁制動過程中，會損失大量的能量，如何將這些能量收集起來，避免能量的損耗是目前城市軌道交通研究的重要課題。尤其是近些年，隨著軌道交通技術(shù)的不斷進步，列車的速度也越來越快，如何進行列車制動能量的儲存和電力的轉(zhuǎn)換，成為了關(guān)注的要點。本文對城市軌道交通的三種儲能技術(shù)進行分析，從而找到性能最佳的儲能方式。

一、城市軌道交通車輛儲能技術(shù)

（一）鋰電池儲能技術(shù)

城市軌道交通儲能技術(shù)之一就是鋰電池儲能，很多人對于鋰電池都不陌生，作為電能儲存最為常用的形式，也可以應(yīng)用于軌道交通車輛的儲能之中。鋰電池是通常是以鋰合金的氧化物作為電池的正極，而石墨材料作為電池的負極。通過在電池中加入電解質(zhì)溶液，制作完成的電池。鋰電池具有很多優(yōu)點，例如儲能穩(wěn)定，能量存儲密度高，自身的放電率低，使用過程中維護簡單等優(yōu)秀性能。除此之外，由于技術(shù)成熟，所以鋰電池的成本很低，成為了城市軌道交通儲能技術(shù)研究的重點方向。

（二）飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)也是當(dāng)前比較熱門的幾點能量能量轉(zhuǎn)換研究方向。通過將能量轉(zhuǎn)換為飛輪的機械能進行存儲。由于技術(shù)的發(fā)展，新材料的出現(xiàn)給飛輪儲能技術(shù)帶來了更為廣闊的研究空間。通過對干強度碳纖維復(fù)合材料和電力電子技術(shù)、磁懸浮技術(shù)的運用，使飛輪裝置的儲能性能更加強大[1]。在飛輪儲能裝置中，通過將飛輪與同步電機相連，通過調(diào)整飛輪的轉(zhuǎn)速來達到充電和放電的目的。在充電過程中，電機帶動飛輪轉(zhuǎn)動，將電能轉(zhuǎn)換為機械能儲存在飛輪裝置中，在放電時，通過飛輪的旋轉(zhuǎn)帶動電機轉(zhuǎn)動，將機械能準華為電能釋放出來。所以在飛輪儲能技術(shù)中，飛輪的軸承材料性能直接影響飛輪的使用壽命和電能轉(zhuǎn)化效率。目前我國飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用的是磁懸浮技術(shù)，可以有效減少軸承的摩擦，降低能量損失。但是和鋰電池技術(shù)相比，飛輪裝置占用空間大，所以只能用于地面儲能，無法進行車載。而且飛輪在儲能過車中具有非常巨大的機械能，對車輛運行的安全產(chǎn)生影響。

（三）超級電容器儲能技術(shù)

超級電容器儲能技術(shù)一種新的儲能技術(shù)，結(jié)余電池和傳統(tǒng)電容之間，通過雙電層和氧化還原電容電荷進行能連的存儲。但是在儲能過程中并并存在化學(xué)反應(yīng)，而是通過極化電解質(zhì)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。超級電容具有很好的使用性能，首先使用壽命長，能夠一定程度節(jié)約成本。超級電容的工作原理是：在電容兩極通電后，電容溶液中的陰陽離子分別移動到電容的正負兩極，從而在電容的表面形成雙電層。切斷供電后，電容電極上的正負電荷與溶液中的電荷離子相互吸引形成了穩(wěn)定的雙電層。在這個狀態(tài)時，就完成了能量的存儲，如果將電容接入電路，電極上的電荷就會移動從而產(chǎn)生電流，完成放電過程中，指導(dǎo)電荷回到正常狀態(tài)[2]。

二、城市軌道交通車輛儲能的技術(shù)比較

通過對三種儲能技術(shù)的比較，飛輪儲能技術(shù)在能量密度和功率方面表現(xiàn)的非常好，而且使用過程中循環(huán)壽命相對較長。但是飛輪儲能技術(shù)有著一個非常致命的缺點，就是在使用過程中安全性能得不到保障，飛輪儲能裝置在能量儲存狀態(tài)中，會變得非常不穩(wěn)定，一旦發(fā)生故障，巨大的機械能就會引發(fā)爆炸，從而出現(xiàn)安全事故，所以這一儲能方式不能安裝在車輛中[3]。雖然隨著技術(shù)的進步，應(yīng)用了性能更好的材料，并且采用磁懸浮和真空技術(shù)進行安全保護，但是依然無法保證其運行的絕對安全。而且飛輪裝置的工作原理導(dǎo)致其體積大、重量高，所以無法搭載到車輛上，目前應(yīng)用并不是很廣泛。

飛輪儲能技術(shù)因為其安全性，不做比較。針對鋰電池儲能技術(shù)和超級電容技術(shù)進行對比。超級電容的壽命要比鋰電池具有更長的使用壽命，大約是鋰電池的一千倍左右。而且功率超過鋰電池，大約是鋰電池的十倍左右。而鋰電池的優(yōu)點為，在相同的儲能情況下，鋰電池具有更小的體積，鋰電池的儲能密度大約是超級電容的十五倍[4]。所以對于安裝空間有要求的情況下，鋰電池更加適合投入使用。在自放電方面，鋰電池性能也要高于超級電容。鋰電池的成本和超級電容相差無幾，基本可以不做比較。再最快放電速度方面，超級電容具有非常明顯的優(yōu)勢。超級電容能在幾毫秒到幾秒之間完成放電，而鋰電池放電需要數(shù)十秒到數(shù)小時之間。由于城市軌道交通的特點，列車?？康臅r間通常為45秒左右，所以超級電容具有更大的優(yōu)勢。

通過對比我們會發(fā)現(xiàn)，在實際的應(yīng)用上，鋰電池和超級電容都更具優(yōu)勢，而且二者在優(yōu)勢上有著非常明顯的互補性。所以，在實際的使用過程中，完全可以將超級電容和鋰電池進行組合使用，通過這種儲能機制可以充分利用二者的優(yōu)點，超級電容放電快，可以在為列車啟動時提供巨大的電流，而鋰電池儲能能力強，可以將大量的能量儲存起來，方式能量過載導(dǎo)致浪費。而處于安全性的考慮，飛輪技術(shù)很少應(yīng)用在具體的實踐中[5]。表3為三種電容優(yōu)缺點的對比情況：

結(jié)束語

綜上所述，在城市軌道交通儲能技術(shù)中，鋰電池和超級電容器的組合模式是最佳的方案。通過二者的組合能夠形成更加穩(wěn)定和高效的儲能放電裝置，為城市軌道交通制動能量的收集儲存和釋放提供更好的使用效果。而且能夠?qū)崿F(xiàn)車載儲能。

參考文獻

[1]胡志強，游譚.城市軌道交通車輛儲能技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（6）.

[2]李志慧.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)再生能量吸收技術(shù)的發(fā)展與選擇[J].城市軌道交通研究，2018（6）.

[3]曹成琦，王欣，秦斌，etal.基于車載超級電容儲能系統(tǒng)在城市軌道交通的應(yīng)用研究[J].電工電氣，2017（1）：9-12.

[4]劉紅兵.基于CAN現(xiàn)場總線城市軌道交通超級電容儲能控制系統(tǒng)的研究[J].電子測試，2019（4）：84-85.

[5]黃科元，鐘樹人，張其松，etal.最優(yōu)能量分配策略在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].電力電子技術(shù)，2019（8）.