超級電容在有軌電車中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

朱彤

摘 要：為保障有軌電車運(yùn)行效果，滿足當(dāng)今社會交通需求，本文對超級電容在有軌電車中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。文章首先闡述了有軌電車中超級電容的應(yīng)用，然后著重分析了其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，包括混合動(dòng)力電源管理技術(shù)和快速充電技術(shù)。以此來為有軌電車中超級電容的良好應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;有軌電車;超級電容

自上世紀(jì)的七十年代末，有軌電車就開始受到人們重視，隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，有軌電車也開始逐漸走進(jìn)我們的生活，并在城市交通事業(yè)中發(fā)揮出了強(qiáng)大的優(yōu)勢。超級電容是為有軌電車提供電力，滿足其正常運(yùn)行需求的關(guān)鍵。因此，隨著近年來有軌電車的應(yīng)用和發(fā)展，超級電容在其中的應(yīng)用技術(shù)也開始備受關(guān)注。

1 有軌電車中的超級電容應(yīng)用簡述

超級電容屬于一種性能非常高的儲能產(chǎn)品，它在當(dāng)今的采礦行業(yè)、高鐵、輕軌和有軌電車等諸多領(lǐng)域中都非常適用。相比較傳統(tǒng)的有軌電車而言，將超級電容應(yīng)用到有軌電車中，并將其作為一種儲能元件，這種超級電容儲能形式的有軌電車可以在無接觸網(wǎng)的情況下運(yùn)行。借助于超級電容所具備的高功率密度、短充電時(shí)間、長生命周期等的優(yōu)勢，可以在大功率儲存元件中快速儲存電能，以此來為有軌電車的正常牽引需求提供足夠的動(dòng)力。

在當(dāng)今塵世有軌電車技術(shù)的發(fā)展與普及中，有軌電車再次失效故障越來越引人重視，要想有效避免該故障的發(fā)生，良好的儲能技術(shù)應(yīng)用才是關(guān)鍵。而在當(dāng)今的國際范圍內(nèi)，通過超級電容應(yīng)用技術(shù)來解決該問題已經(jīng)成為了一項(xiàng)幾乎得到一致認(rèn)定的方法，將超級電容和大功率靜止變流開關(guān)之間進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以讓機(jī)動(dòng)車能量的儲存變得更加便利，并在其加速和啟動(dòng)過程中再一次為其提供足夠的能量，以此來有效緩解有軌電車啟動(dòng)給供電系統(tǒng)帶來的沖擊負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升，讓再次失效故障得以有效避免[1]。

2 有軌電車中超級電容應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)分析

將超級電容應(yīng)用到有軌電車的運(yùn)行中，需要重點(diǎn)研究的技術(shù)就是超級電容和燃料電池或者是接觸網(wǎng)之間進(jìn)行混合充電的關(guān)鍵技術(shù)。這就涉及到了混合充電系統(tǒng)以及混合充電系統(tǒng)的管理，同時(shí)也涉及到了超級電容的充電裝置以及超級電容的系統(tǒng)開發(fā)。

2.1 混合動(dòng)力電源管理技術(shù)

在對無觸網(wǎng)形式有軌電車進(jìn)行供電的過程中，混合供電技術(shù)最為典型，在該技術(shù)的具體應(yīng)用中，除了接觸網(wǎng)之外，還需要和車載電池之間組成一個(gè)混合型的動(dòng)力系統(tǒng)。有軌電車最常用的車載電池包括蓄電池、燃料電池和超級電容，這些電池都有著各自的特點(diǎn)。下面是對有軌電車中幾種典型車載電池特點(diǎn)的總結(jié)：

2.1.1 氫燃料電池：其優(yōu)點(diǎn)是效率高，無污染，可循環(huán)利用;缺點(diǎn)是成本高，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，氫氣來源有限。

2.2.2 鋰電池：其優(yōu)點(diǎn)是能量大，電壓高，高功率承受能力強(qiáng)，使用壽命長;缺點(diǎn)是能量密度低，一致性差，穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性不易控制。

2.2.3 超級電容：其優(yōu)點(diǎn)是效率高，放電效率快，充電速度快，使用壽命長;缺點(diǎn)是安全電壓比較低，安全性比較難控制

在有軌電車中，超級電容應(yīng)用的一個(gè)核心問題就是混合動(dòng)力有軌電車能源管理技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在混合動(dòng)力系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程中，可以借助于主控單元來進(jìn)行有軌電車中控制裝置信號的接收，以此來實(shí)現(xiàn)對啟動(dòng)信號、勻速信號、加速信號、減速信號以及制動(dòng)信號的判斷。在該系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，燃料電池主要用來為有軌電車勻速行駛過程中的牽引系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)提供足夠的電能，超級電容主要用來為有軌電車加速階段或者是啟動(dòng)階段提供足夠的電能，以此來滿足其牽引力需求，同時(shí)，當(dāng)有軌電車處于制動(dòng)階段的情況下，系統(tǒng)也將會回收其牽引力能量[2]。具體應(yīng)用中，燃料電池和超級電容都會借助于自身的雙向直流斬波器給相應(yīng)的系統(tǒng)提供電能，

在有軌電車的混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以按照有軌電車在啟動(dòng)、勻速、加速以及制動(dòng)等各種狀態(tài)之下的實(shí)際特征來進(jìn)行燃料電池、蓄電池以及超級電池的控制，使其為有軌電車的牽引提供出足夠的電能，讓超級電容功率特性和能量方面的問題得到有效解決，讓各個(gè)儲能部件之間達(dá)到一種良好的互補(bǔ)關(guān)系。燃料電池以及動(dòng)力電池之間有著相互冗余的關(guān)系，如果其中的一種電池出現(xiàn)故障，另一種電池可替代其繼續(xù)為有軌電車提供電能，以此來保障有軌電車的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 快速充電技術(shù)

因?yàn)槌夒娙葸h(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到蓄電池的能量密度，所以一次充電之后的儲能也十分有限。有軌電車的運(yùn)行距離比較短，通常在2公里左右，因此為滿足超級電容的充電需求，就需要在每一個(gè)車站進(jìn)行快速充電裝置的設(shè)置，通過到站充電的形式來補(bǔ)充電能，以此來為有軌電車的運(yùn)行提供足夠動(dòng)力。因此，就目前的情況來看，通過相應(yīng)的充電系統(tǒng)或者是充電裝置來進(jìn)行超級電容的快速充電是一項(xiàng)需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵技術(shù)。

將超級電容應(yīng)用到有軌電車中，通過車站停車充電的形式來快速充電，并通過車載形式的超級電容為有軌電車的運(yùn)行提供牽引所需能量[3]。在超級電容的具體應(yīng)用中，可以將整套的直流充電裝置設(shè)置到每一個(gè)車站，其具體要求應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：

第一，直流充電裝置的充電時(shí)間應(yīng)該控制在30秒以下。

第二，直流充電裝置的連續(xù)充電電流應(yīng)該控制在1500-2400A之間;

第三，直流充電裝置的輸出電壓變化范圍應(yīng)該控制在400-900V之間。

同時(shí)，在直流充電裝置的設(shè)置過程中，也需要進(jìn)行超級電容充電曲線的配置。超級電容儲存形式的有軌電車充電裝置屬于一種直流充電的裝置，其輸入可以是直流電，也可以是交流電，在當(dāng)今，用來為超級電容形式有軌電車快速充電的裝置大多為高壓交流供電。

在這個(gè)充電設(shè)備中，主要的組成部分是充電裝置柜、整流變壓器、主控制系統(tǒng)、輸出隔離柜以及車輛位置檢測裝置。借助于整流變壓器，可以將高壓輸電網(wǎng)提供的電壓轉(zhuǎn)化為與該充電裝置柜相適應(yīng)的輸入電壓;借助于充電裝置柜，可以將來自于整流變壓器的電壓轉(zhuǎn)化為與有軌電車中超級電容裝置需求相符的充電公路或者是充電電流;借助于輸出隔離柜，可以將來自于充電裝置管中的公路或者是電流輸出到有軌電車中，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)有軌電車上行充電以及下行充電之間的轉(zhuǎn)換;借助于主控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以上各個(gè)裝置與有軌電車位置監(jiān)測裝置之間的信號連接以及通信目標(biāo)，以此來實(shí)現(xiàn)充電啟動(dòng)和停止的控制，同時(shí)也可以對有軌電車中超級電容儲存裝置實(shí)際的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，以此來實(shí)現(xiàn)充電功率或電流的合理調(diào)整。在主控制系統(tǒng)中，主要的組成部分有主控板和可編程的邏輯控制器PLC，借助于主控板，可以對有軌電車具體的位置信息以及其中的超級電容儲存裝置具體狀態(tài)信息進(jìn)行采集和計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果將通過PLC直接輸送給隔離柜，以此來實(shí)現(xiàn)有軌電車中超級電容充電開啟和關(guān)閉信號的傳遞。

通過該充電系統(tǒng)裝置的應(yīng)用，可以有效解決車載超級電容儲存方面的問題，保障超級電容的使用質(zhì)量，使其為有軌電車提供出足以滿足其牽引需求的電能。但是就目前的超級電容形式有軌電車充電系統(tǒng)來看，諧波問題、噪聲問題以及充電效率問題都需要進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化。

有軌電車已經(jīng)成為當(dāng)今城市的一種重要交通設(shè)施，而將超級電容應(yīng)用到有軌電車中，不僅可以提升有軌電車的運(yùn)行效率，同時(shí)也可以保障有軌電車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在超級電容的應(yīng)用過程中，需重點(diǎn)加強(qiáng)混合動(dòng)力電源管理技術(shù)和快速充電技術(shù)的研究，以此來實(shí)現(xiàn)超級電容形式有軌電車的良好應(yīng)用與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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