有軌電車不同制式儲(chǔ)能系統(tǒng)對比分析

范曉云，潘文海，薛 川

（廣州有軌電車有限責(zé)任公司，廣州 510308）

1 研究背景

在“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)背景下，節(jié)能產(chǎn)品迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。有軌電車通過加裝車載儲(chǔ)能系統(tǒng)或地面儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以充分利用列車制動(dòng)能量，提升能量管理利用效率，有助于提升車輛的節(jié)能化和智能化水平，同時(shí)可以減少架空接觸網(wǎng)，達(dá)到美化城市景觀和減少建設(shè)運(yùn)營成本的效果。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，超級電容及鋰離子電池等多種儲(chǔ)能系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于有軌電車領(lǐng)域[1-2]。

為滿足有軌電車應(yīng)用需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要滿足功率密度高、能量密度高、維護(hù)簡單、全壽命周期成本低等特點(diǎn)[3]。在多種儲(chǔ)能元件中，超級電容具有功率密度高、充放電速度快、溫度適應(yīng)范圍寬、循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，在有軌電車車載儲(chǔ)能系統(tǒng)中有較多應(yīng)用。但由于超級電容能量密度低，往往需要每站充電，充電裝置配套成本較高。而鋰離子電池能量密度較高，且隨著溫度適應(yīng)性及安全性的優(yōu)化提升，也逐步應(yīng)用于有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)，與超級電容形成了優(yōu)勢互補(bǔ)，在保障系統(tǒng)功率特性的同時(shí)提升了續(xù)航能力[4-5]。此外，電池電容兼具了超級電容器快速充放電、長循環(huán)壽命和電池高容量的特點(diǎn)，有望在有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用[6]。

廣州海珠有軌電車試驗(yàn)段作為國際首條投入載客運(yùn)營的超級電容儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目，在乘客出行體驗(yàn)、節(jié)能環(huán)保、城市景觀提升等方面都具有里程碑式的示范意義。后續(xù)采用該超級電容式儲(chǔ)能的有軌電車相繼在武漢漢陽、淮安、深圳等地投入運(yùn)營，運(yùn)營里程達(dá)56.2 km，是應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能式技術(shù)方案。武漢東湖、三亞、嘉興等地的有軌電車則采用了電池電容的技術(shù)方案，兼顧了超級電容與鋰電池的技術(shù)特性，也是應(yīng)用較為廣泛的一種形式。近年新開通的廣州黃埔和德令哈有軌電車則采用了超級電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)，是在超級電容式儲(chǔ)能方案基礎(chǔ)上的一種新嘗試。

筆者基于廣州海珠試驗(yàn)段、廣州黃埔1 號(hào)線及三亞有軌電車項(xiàng)目的建設(shè)及商業(yè)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)對比3 種儲(chǔ)能制式在性能特點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)用可靠性、運(yùn)營維護(hù)重難點(diǎn)及維護(hù)成本等方面的差異性，以期為后續(xù)新建有軌電車項(xiàng)目車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的選型提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)制式及工作原理

2.1 超級電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

超級電容又稱電化學(xué)電容器，是介于電池與電容器之間的新型物理儲(chǔ)能器件，具有綠色環(huán)保、低內(nèi)阻、充放電效率高以及長壽命等特性，通過電極表面與電解液間形成雙電層儲(chǔ)存能量，主要的電極材料為多孔活性炭。充電時(shí)，電解質(zhì)表面的電荷在一定的電壓下，被雙電層電荷產(chǎn)生的電場拉到靠近它且極性相反的電極上，形成穩(wěn)定的雙電荷層；放電時(shí)，正、負(fù)電極上的電荷漂移在外電路形成電流，具體工作原理如圖1所示[7]。

圖1 雙電層電容器的工作原理 Figure 1 Working principle of the electric double layer capacitor

由于超級電容器單體工作電壓不高，因此，為滿足儲(chǔ)能式有軌電車對儲(chǔ)能容量及電壓等級的要求，超級電容系統(tǒng)需采用多個(gè)超級電容以單體串、并聯(lián)方式構(gòu)成[8]。

廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車采用4 模塊編組形式，包括3 節(jié)動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊。整車配備3 個(gè)儲(chǔ)能電源箱，分別安裝在2 節(jié)頭車動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊上。儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)超級電容的單體規(guī)格為7 500 F，整個(gè)系統(tǒng)主要由超級電容模組、主控模塊(包含主控單元、輔控單元和模組間的電壓均衡單元)、采樣控制單元、熔斷器、電壓及電流傳感器和散熱風(fēng)扇等設(shè)備構(gòu)成，如圖2 所示。系統(tǒng)工作電壓范圍為500～900 V，額定電流600 A，在充滿電的工況下可用儲(chǔ)能電量約10 kW·h[2]。

圖2 廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng) Figure 2 Supercapacitor energy storage system of trams in Guangzhou Haizhu Test Section

2.2 超級電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

為彌補(bǔ)超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度較低的問題，廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車采用了超級電容與鈦酸鋰電池共同參與供電的儲(chǔ)能制式。其中，超級電容作為車輛運(yùn)行期間的主要儲(chǔ)能設(shè)備，在能量不足時(shí)，通過鈦酸鋰電池進(jìn)行補(bǔ)充，鈦酸鋰電池與高壓母線之間通過雙向DC/DC 變換器來實(shí)現(xiàn)接通和關(guān)斷。

鋰離子電池實(shí)際上是一種濃差電池：充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保持負(fù)極的電平衡；放電時(shí)則相反，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到正極，正極處于富鋰態(tài)，工作原理如圖3 所示[9]。鈦酸鋰電池即負(fù)極采用鈦酸鋰材料的鋰離子電池，與碳材料負(fù)極電池相比，具有循環(huán)壽命長、倍率性能好、低溫特性好、安全性高的特點(diǎn)[10]。

圖3 鋰離子電池的工作原理 Figure 3 Working principle of the lithium-ion battery

廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車同樣采用4 模塊編組形式，包括3 節(jié)動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊。在2 節(jié)頭車動(dòng)力模塊和1 節(jié)非動(dòng)力模塊上，各安裝1 個(gè)超級電容儲(chǔ)能電源箱。該超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)為廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)升級版，內(nèi)部超級電容單體規(guī)格為9 500 F，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，工作電壓范圍為500～900 V，額定電流600 A，可儲(chǔ)能電量約12.9 kW·h。此外，車輛中間的動(dòng)力模塊配置了鈦酸鋰電池儲(chǔ)能電源箱，內(nèi)部單體規(guī)格為25 A·h/2.35 V，電池系統(tǒng)工作電壓范圍為360～477 V，額定電流300 A，可儲(chǔ)能電量約33.8 kW·h。在充滿電的工況下，整車總儲(chǔ)能電量約為46.7 kW·h。

與單純超級電容系統(tǒng)相比，超級電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電策略更為復(fù)雜。在車輛到達(dá)車站后，受電器從接觸線取電，并優(yōu)先為超級電容系統(tǒng)充電，電量達(dá)到設(shè)定閾值后控制雙向DC/DC裝置開通，繼續(xù)給鈦酸鋰電池充電；在車輛運(yùn)行過程中，當(dāng)超級電容電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，由鈦酸鋰電池通過雙向DC/DC 接入高壓母線，并為超級電容補(bǔ)電，進(jìn)而滿足車輛運(yùn)營的電量需求，供電原理如圖4所示。

圖4 超級電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電原理 Figure 4 Schematic diagram of power supply for hybrid energy storage system with supercapacitor and lithium titanate battery

2.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池電容是一種介于超級電容器和鋰離子電池之間的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有低電阻、高能量密度、快速充放電、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，該種電容器的正極主要采用雙電層儲(chǔ)能，負(fù)極采用可實(shí)現(xiàn)大倍率充放電快速脫嵌鋰離子儲(chǔ)能的技術(shù)路線，通過電化學(xué)混合電極材料，在一個(gè)電解池中實(shí)現(xiàn)鋰離子電池和超級電容器的原理和技術(shù)的結(jié)合，使其在保持超級電容器高比功率、長壽命和快速充電特性的同時(shí)，大幅度提高比能量，工作原理如圖5 所示[11]。

圖5 電池電容器工作原理 Figure 5 Working principle of the battery capacitor

三亞有軌電車采用5 模塊編組形式，包括2 節(jié)動(dòng)力模塊，1 節(jié)非動(dòng)力模塊以及2 節(jié)懸浮模塊。車輛配備一大一小2 個(gè)電池電容儲(chǔ)能電源箱，分別安裝在MC1 和MC2 車頂部。電源箱內(nèi)模組標(biāo)稱容量為9 300 F，構(gòu)成大電容箱額定電流為300 A，小電容箱額定電流為200 A。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作電壓范圍為616～820 V，充滿電后有效儲(chǔ)存電量約為47.6 kW·h。

2.4 3 種儲(chǔ)能系統(tǒng)制式技術(shù)參數(shù)對比

綜上所述，廣州海珠試驗(yàn)段、廣州黃埔1 號(hào)線以及三亞有軌電車3 個(gè)項(xiàng)目采用了3 種不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)制式，對比各項(xiàng)目的車輛主要能耗參數(shù)及各儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如表1、2 所示。

表1 3 條線路車輛能耗參數(shù)的對比 Table 1 Comparison of technical parameters of three project trams

表2 3 種儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的對比 Table 2 Comparison of technical parameters of three energy storage systems

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)用維護(hù)及可靠性分析

3.1 運(yùn)用維護(hù)過程難點(diǎn)分析

3.1.1 超級電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于低地板車輛設(shè)備布置空間有限，只能采取緊湊型的設(shè)計(jì)。海珠試驗(yàn)段有軌電車儲(chǔ)能電源箱體內(nèi)超級電容的安裝設(shè)計(jì)為上下2 層，其中1～22 模組在下層、23～43 模組在上層。在日常檢查和維護(hù)時(shí)，需要先將上層模組拆下，才能對下層模組及電容單體、聯(lián)接銅排、均衡單元、線纜等設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，下層模組維護(hù)和檢修難度較大。另外，超級電容系統(tǒng)無法設(shè)置手動(dòng)斷電隔離開關(guān)，每次進(jìn)行車頂檢修作業(yè)時(shí)，需將超級電容的剩余電量完全放空，作業(yè)完畢后再進(jìn)行充電，一次充放電耗時(shí)約1 h，對檢修作業(yè)的效率造成一定的影響。

3.1.2 超級電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

1) 對超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，黃埔1 號(hào)線超級電容系統(tǒng)布置與海珠試驗(yàn)段情況類似，下層模組檢查難度和維護(hù)復(fù)雜度較高，車頂檢修作業(yè)需要充放電操作，影響效率。此外，超級電容緊急放電接口在箱體頂部，作業(yè)人員需要爬梯，并要站在超級電容箱的蓋板上進(jìn)行操作，存在一定的安全隱患，需要加強(qiáng)對作業(yè)人員的安全操作培訓(xùn)，在保證其正確穿戴絕緣防護(hù)用具后才能開展作業(yè)。

2) 對鈦酸鋰電池系統(tǒng)而言，日常維護(hù)時(shí)讀取鈦酸鋰電池的內(nèi)部歷史數(shù)據(jù)，需要到車頂取出箱體內(nèi)的內(nèi)存卡讀取，作業(yè)較為不便。此外，由于鋰電池電量無法完全放空，在車頂作業(yè)前必須拔下電池箱外部的兩個(gè)維護(hù)開關(guān)，這同樣需要加強(qiáng)人員作業(yè)的安全培訓(xùn)和管控。

3.1.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于電池電容自放電等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部存在一致性差異。因此，三亞有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)在投入使用期間或封存過程中，需定期進(jìn)行系統(tǒng)壓差檢查，當(dāng)壓差超過限值，應(yīng)啟動(dòng)均衡系統(tǒng)，直至壓差恢復(fù)至限值內(nèi)。此外，電池電容與鋰電池具有相似的電化學(xué)特性，電量無法完全放空，在進(jìn)行放電作業(yè)時(shí)，需要通過隔離開關(guān)切斷供電回路，并降低系統(tǒng)電壓，其安全操作風(fēng)險(xiǎn)與鈦酸鋰電池相似。

3.2 車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性分析

3.2.1 超級電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

海珠試驗(yàn)段作為全球第一個(gè)運(yùn)用超級電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)的有軌電車項(xiàng)目，于2014 年12 月開通運(yùn)營，共配屬7 列車。項(xiàng)目開通初期儲(chǔ)能系統(tǒng)故障率稍高，在完成均衡單元換型整改后，自2016 年開始故障率大幅下降，近年來設(shè)備表現(xiàn)已進(jìn)入穩(wěn)定期。近5 年的正線故障率在0.18～0.28 次/(列·萬公里)之間，可靠性得到了充分證明。

3.2.2 超級電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

作為混合供電系統(tǒng)的項(xiàng)目，廣州黃埔有軌電車1 號(hào)線在國內(nèi)第一個(gè)運(yùn)用超級電容和鈦酸鋰電池。該項(xiàng)目于2020 年7 月開通首通段，2020 年底全線開通，共配屬16 列車。超級電容和鈦酸鋰電池的能力分配策略，給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選型、調(diào)試驗(yàn)證及日常維護(hù)方面帶來了挑戰(zhàn)。車輛運(yùn)營初期故障率較高，尤其是雙向DC/DC 變換器的軟件、硬件調(diào)試以及混合供電策略的制定等各方面均需要調(diào)試磨合。隨著對系統(tǒng)問題的持續(xù)調(diào)查和分析，主要問題都已經(jīng)得到有效解決，目前該混合供電系統(tǒng)的整體表現(xiàn)穩(wěn)定。近半年的正線故障率約為0.31 次/(列·萬公里)，逐漸接近于海珠線的故障率。

3.2.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

三亞有軌電車示范線項(xiàng)目于2020 年10 月開通運(yùn)營，共配屬11 列車，期間電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)共發(fā)生24 起故障。其中，故障率較高的是儲(chǔ)能模塊和子節(jié)點(diǎn)，故障原因主要是電容單體存在壓差，現(xiàn)已通過技術(shù)改進(jìn)得到解決。目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)整體表現(xiàn)穩(wěn)定，近一年正線故障率約為0.25 次/(列·萬公里)。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命及成本分析

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命預(yù)測

4.1.1 超級電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

在海珠試驗(yàn)段有軌電車運(yùn)行期間，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)持續(xù)組織對超級電容模組衰退情況進(jìn)行跟蹤檢測，過程中抽選6 組超級電容，測試并統(tǒng)計(jì)其容量和內(nèi)阻的變化情況，結(jié)果如圖6、7 所示。

圖6 電容容量的變化 Figure 6 Capacitance variation of a capacitor

圖7 電容內(nèi)阻的變化 Figure 7 Internal resistance variation of a capacitor

在跟蹤期6 年內(nèi)，被測超級電容的容量平均值為1 732.7 F，容量衰減比值的平均值為7.59%(標(biāo)稱值為1 875 F)，內(nèi)阻平均值為1.283 mΩ(標(biāo)稱內(nèi)阻≤1.3 mΩ)。整車設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命終止條件為，容量衰減20%，內(nèi)阻升高到200%，根據(jù)運(yùn)營6 年間測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)及擬合預(yù)測分析，超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可以滿足10 年設(shè)計(jì)使用壽命。

4.1.2 超級電容與鈦酸鋰電池混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)

廣州黃埔1號(hào)線有軌電車所用超級電容系統(tǒng)為海珠試驗(yàn)段有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)的升級版，其單體工作原理和結(jié)構(gòu)特性與海珠試驗(yàn)段的有軌電車類似，根據(jù)海珠線有軌電車超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)衰退測試結(jié)果的類比推測，廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級電容部分，可以滿足10 年設(shè)計(jì)使用需求。為分析混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合使用壽命，廣州黃埔1 號(hào)線有軌電車在投入初期運(yùn)營1 年后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)組織對鈦酸鋰電池模組返廠進(jìn)行了容量抽樣檢測，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 電池模組容量衰退結(jié)果 Table 3 Capacity decay of battery module

根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營1 年后，鈦酸鋰電池模組的容量變化在1%左右，表明有軌電車運(yùn)行工況造成的電池衰退極小，再結(jié)合鈦酸鋰電池壽命特性預(yù)測分析，證明鈦酸鋰電池系統(tǒng)可以滿足10 年設(shè)計(jì)使用壽命(容量滿足大于出廠測試標(biāo)稱容量的80%)。

4.1.3 電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)

為評估的三亞有軌電車電池電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能衰減情況，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選取運(yùn)營公里數(shù)較多的T01 車隨機(jī)抽取6 個(gè)模組，采用與出廠性能檢測相同的方法重新進(jìn)行標(biāo)定測試，結(jié)果如表4 所示。

表4 電池型超級電容模組衰退結(jié)果 Table 4 Decline of the hybrid supercapacitor module

經(jīng)測試，三亞有軌電車儲(chǔ)能模組的容量保持率基本維持在95%左右，內(nèi)阻變化在120%～135%之間，目前可滿足設(shè)計(jì)要求。從衰減情況看，電池電容明顯大于超級電容，是否能滿足10 年設(shè)計(jì)壽命還需繼續(xù)觀察。

從上述各制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的衰減評估情況看，在整車一個(gè)壽命期30 年內(nèi)，超級電容、鈦酸鋰電池均需要更新2 次，電池電容需要更換2～3 次。超級電容與鈦酸鋰電池相配合的混合供電系統(tǒng)，因多增加了一套雙向DC/DC 變換器，在整車壽命期內(nèi)，雙向DC/DC 變換器需更新一次，所以整個(gè)系統(tǒng)的全壽命周期的更新成本會(huì)相應(yīng)增加。

4.2 供電系統(tǒng)的對比分析

與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)有軌電車相比，儲(chǔ)能式有軌電車因?yàn)榱熊囎詭?chǔ)能的先天優(yōu)勢，對地面供電系統(tǒng)的依賴性有所降低。地面任一充電站故障，列車可利用自身儲(chǔ)能，越站通過到下一站充電，保持運(yùn)營服務(wù)不變，這也是儲(chǔ)能式有軌電車供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則之一。

3 條線路的地面供電系統(tǒng)對比如表5 所示。在3條線路中，廣州海珠試驗(yàn)段列車的儲(chǔ)存電量不多，因此在該項(xiàng)目每個(gè)車站均設(shè)置了充電站。降壓變電所和充電站合并設(shè)置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，區(qū)間電纜較少。黃埔1 號(hào)線以海珠線為基礎(chǔ)，列車儲(chǔ)能仍以超級電容為主，在部分距離較短的車站不設(shè)置充電站，使充電站數(shù)量有所降低。

表5 3 種線路的地面供電系統(tǒng)對比 Table 5 Comparison of ground power supply system of three lines

三亞有軌電車車輛的電池電容儲(chǔ)能最多，采用了淺充淺放策略，有利于延長電池電容壽命，并減少在終點(diǎn)站充電等待時(shí)間，也設(shè)置了10 個(gè)充電站，充電站和車站的比例與黃埔1 號(hào)線相當(dāng)。降壓變電所集中設(shè)置，需要大量的電纜連接變電所、充電站和車站，全線電纜敷設(shè)量大，提高了造價(jià)也增加了維護(hù)量。

由此可見，充電站數(shù)量與車載電量密切相關(guān)，混合式儲(chǔ)能和電池電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)均減少了1/3 的充電站。另外，值得注意的是，三亞有軌電車的供電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，交流AC10 kV和直流1 500 V 均分別采用單母線分段方案，系統(tǒng)冗余度更高。但是，對于儲(chǔ)能式列車來說，儲(chǔ)能系統(tǒng)是冗余度較高的設(shè)計(jì)，均具備滿足正常運(yùn)營2～3 個(gè)甚至更多充電區(qū)間的能力，因此適當(dāng)簡化供電系統(tǒng)，將是以后儲(chǔ)能式有軌電車工程的一個(gè)發(fā)展方向。

5 不同制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合對比

以廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車、黃埔1 號(hào)線有軌電車及三亞有軌電車3 個(gè)項(xiàng)目為研究對象，對不同制式的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 從可靠性角度分析，廣州海珠試驗(yàn)段有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過7 年的運(yùn)用考核，設(shè)備僅在初期磨合階段故障率較高，后來逐漸趨于穩(wěn)定，且同類超級電容產(chǎn)品在深圳龍華、江蘇淮安運(yùn)用的時(shí)間均較長，可靠性已得到充分的驗(yàn)證；黃埔1 號(hào)線有軌電車采用混合供電系統(tǒng)，由于是國內(nèi)第一次運(yùn)用，運(yùn)營至今約一年半時(shí)間，故障率稍高，已采取了相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)，使現(xiàn)有的問題得以解決，后續(xù)的表現(xiàn)仍有待于進(jìn)一步跟蹤評估；三亞有軌電車電池電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，在運(yùn)用初期個(gè)別設(shè)備存在故障率較高的情況，但磨合期過后整體上表現(xiàn)穩(wěn)定。

2) 從可維護(hù)性的角度分析，因低地板有軌電車的車頂空間限制，模組均為層疊擺放，下層模組的維護(hù)都是難點(diǎn)。此外，黃埔1 號(hào)線有軌電車鈦酸鋰電池、三亞有軌電車電池電容的電量無法放空，檢修時(shí)需增加一步切斷高壓回路的操作，對檢修維護(hù)人員的安全操作管控和培訓(xùn)顯得尤為重要。

3) 從全壽命周期設(shè)備維護(hù)成本角度分析，超級電容衰減情況穩(wěn)定可靠，全壽命周期內(nèi)更換2 次即可。電池電容的衰減相比超級電容的衰減要大，全壽命周期內(nèi)需更換2～3 次，具體壽命情況仍需保持跟蹤。在儲(chǔ)能器件能夠滿足設(shè)計(jì)壽命的前提下，超級電容與鈦酸鋰電池混合供電系統(tǒng)需增加雙向DC/DC 變換器的定期更新成本。此外，產(chǎn)品壽命到期更新時(shí)可能存在技術(shù)的升級迭代，后續(xù)有待于結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際壽命情況及行業(yè)技術(shù)動(dòng)態(tài)做進(jìn)一步評估。

6 總結(jié)與展望

在新線設(shè)計(jì)以節(jié)能減排和節(jié)約建設(shè)投資為原則的大趨勢下，有軌電車對車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的續(xù)航能力有著更高的要求，但儲(chǔ)能產(chǎn)品的選用除了要盡可能兼顧高能量密度與高功率密度外，也需要考慮產(chǎn)品運(yùn)用的安全性、可靠性和日常運(yùn)營維護(hù)的成本。通過對3 條線路不同制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的對比分析，從設(shè)備運(yùn)用可靠性和運(yùn)營設(shè)備管理難度的角度來看，單一制式的超級電容或電池電容儲(chǔ)能系統(tǒng)比混合儲(chǔ)能系統(tǒng)要更具優(yōu)勢；但受制于超級電容的技術(shù)特性及車頂設(shè)備的布置空間，超級電容系統(tǒng)的長續(xù)航能力仍有待提高，相比之下電池電容及混合供電系統(tǒng)具備更優(yōu)的續(xù)航能力。從地面供電系統(tǒng)建設(shè)成本方面看，混合供電系統(tǒng)成本最低，但在全壽命周期維護(hù)成本方面，還需要?jiǎng)討B(tài)評估整個(gè)壽命期內(nèi)各制式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量衰減情況及行業(yè)發(fā)展情況，然后再進(jìn)行深入的對比分析。

綜上所述，在新線項(xiàng)目設(shè)計(jì)調(diào)研的初期，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)需要綜合建設(shè)投資、產(chǎn)品運(yùn)用可靠性、可維護(hù)性及全壽命周期成本等多個(gè)因素，進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的評估考量，選擇相對合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)制式。此外，建議新線路增加車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)跟蹤分析功能，為儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)評估積累歷史數(shù)據(jù)，并持續(xù)跟蹤車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)行業(yè)動(dòng)態(tài)和技術(shù)革新的進(jìn)展，為后續(xù)車

輛儲(chǔ)能系統(tǒng)制式選擇提供更多的技術(shù)支撐和依據(jù)。