淺談城市軌道交通車輛儲能技術

周云霞 葛躍庭

簡要論述了當前城市軌道交通車輛通用的電池組、飛輪及超級電容等儲能技術。通過分析比較三種儲能方式的優劣勢，證明超級電容性價比較高。又詳細分析了超級電容的兩種模式，即車載模式與地面模式，進一步推斷出超級電容車載模式的可行性。

城市軌道交通車輛;儲能技術;超級電容

引言：

城市軌道交通為頻發性的短距離運輸，通過高強度的運動產生強大的制動能量。隨著技術的發展，車輛運行速度得到了大幅度提升，如何完善列車制動能量的儲存也變得愈來重要。當前我國城市軌道軌道交通車輛較為普遍的三種儲能技術分別是電池儲能、飛輪儲能及超級電容儲能，本文通過對三種儲能技術的詳細對比，指出超級電容的優越性。

一、城市軌道交通車輛儲能技術

（一）鋰電池儲能技術

鋰電池作為一種常見的儲能手段，具有儲存能量密度高、能量流失率低、充放電方式簡單高效、性價比較高等優點。當前，使用鋰離子電池進行儲能仍是國內外十分流行的一種儲能手段。

（二）飛輪儲能技術

飛輪儲能利用機電能量轉化裝置，通過飛輪的機械動能完成儲存。隨著高強度碳素纖維復合材料、電力電子技術、磁浮技術的飛躍發展，飛輪儲能技術也得到了進一步完善。

飛輪儲能的工作原理是通過儲能變流器連接直流電網裝置。其系統內部主要構件有飛輪轉子、軸承、發電機及真空容器等。以軸承為連接樞紐，將飛輪與同步電機相連，通過飛輪高強度的運轉完成充放電工作：充電時，電能通過儲能變流器實現電機運轉，電機為飛輪轉動提供所需能量，飛輪通過機械動能的方式實現能量的儲存;放電時，飛輪通過高強度的運轉為電機提供運作能量，以電機為能量運輸途徑，向直流電網輸送電能，這也是一個將動能轉化為電能，再由電能釋放能量的過程。不過受限于當前技術，飛輪儲能技術在城市軌道交通車輛的應用僅局限于地面模式，車在模式尚未有過先例。

（三）超級電容儲能技術

超級電容實現了電池與電容技術的結合，作為一種特殊的儲能方式，超級電容通過雙電層和氧化還原電容電荷實現對能量的儲存，整個儲能活動相對穩定，具有使用壽命長、充放電簡單高效等優點。

超級電容器也稱雙電層電容器，是電極通過離子或電子的定向排列造成電荷對峙而產生。當前較為常見的三種超級電容器有雙電層電容器、混合水系電容器和鋰離子電容器，從性價比層面而言（詳見表1），雙電層電容器是城市軌道交通車輛儲能系統的首選。

（三）三種儲能技術性能的比較

將鋰電池、飛輪、超級電容等三種儲能技術的性能進行比較?？傻弥?，在能量儲存密度、功率密度及使用壽命方面，飛輪儲能要優于其他兩類。但在遇到突發性障礙時（如過載），極易出現爆炸狀況;另外，飛輪儲能的電能自然流失率也十分高，考慮到安全及其他因素，飛輪儲能技術在城市軌道交通中的應用并不普遍。

相較于鋰電池儲能方式，超級電容具有循環壽命長、功率密度大等優點。比起超級電容，鋰電池的能量密度大，可以更小的體積容納與超級電容相等的能量，從表2中可得知，鋰電池的儲能密度幾乎達到了超級電容的倍之多，滿足了一些對儲能裝置占用空間要求較高的工程;此外，鋰電池能量自然流失率低，自然放電率僅為0.1%～0.3%，而超級電容的能量自然流失率則為20%～40%。

在經濟花費層面，鋰電池與超級電容基本相當。而從放電速度方面考慮，鋰電池不如超級電容。但實際上，地鐵車輛對于放電時間的長短并無嚴格要求，一般城市內列車的停站時間接近45s左右，這個時間滿足了鋰電池對放電時間的要求。

在性能方面，鋰電池與超級電容各具優劣勢。因此，將鋰電池與超級電容進行串并聯組來實現能量的儲存也不失為一種有效的儲能手段。將超級電容的大功率密度與鋰電池的大能量密度相結合，利用鋰電池擴充儲存能量，完善超級電容能量密度低的不足，以此提高儲能的效率;將超級電容器上可隨意轉化電流沖擊安裝于鋰電池組之上，以提高鋰電池的使用壽命。

當前，超級電容儲能是城市軌道交通車輛普遍使用的一種儲能方式，無論是在車載式還是地面式都有應用。超級電容在一些通過架線實現發電的軌道交通車輛的應用，有效減少了能源的浪費，是一種有效的節能手段。就目前而言，超級電容儲能方式較為集中的問題有以下幾點：首先是能源消耗大;其次是線上峰值功率有待優化;最后則是線壓穩定性不足。

比起地面模式，車載模式具備以下兩點優勢：一是解決了能量在地面傳輸過程造成大量損耗的問題;二是靈活性更強。

如何有效實現三種儲能方式在城市軌道交通車輛的應用，一直以來都是學術界亟待解決的問題之一。就儲能性能而言，鋰電池能夠以相等的體積儲存更多的能量，放點電壓也較為穩定，但不足的是鋰電池使用壽命較短，對放電時間有著一定要求，功率密度也相對較低。而飛輪儲能在一定程度上解決了鋰電池使用壽命較短的缺陷，放電時間也得到了大幅度提升，但是這種儲能手段應變能力差，存在一定的安全隱患，而且裝置占用空間大，并不適合小型軌道交通車輛的應用。而超級電容儲能方式不僅具備長久的使用壽命、放電速度快，而且放電過程中電流穩定，安全性也高，唯一美中不足的是超級電容儲存能量密度低。

二、結語

當前城市軌道交通車輛在選擇儲能方式時，不僅要參考儲能裝置質量、安全性、經濟花費等，還要充分考慮到裝置的體積大小、負載循環能力等。

地面式儲能系統的最佳選擇為超級電容儲能和飛輪儲能的方式，但出于安全方面的考慮，超級電容是當前地面式儲能的主要儲能方式。地面式儲能系統在安裝儲能裝置時，還要考慮到儲能裝置的體積大小問題，是否有足夠的空間用于安裝。

超級電容及鋰電池是車載式儲能系統常用到儲能方式。就性價比而言，超級電容比鋰電池的使用壽命更長，功率密度更高，是當前車載儲能系統儲能手段的最佳選擇，應用也較為普遍。鋰電池具有安裝占地空間小的優勢，但使用壽命短，在充放電時有較高的電流，因此這種儲能方式在實際中的應用并不普遍。

參考文獻

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