王儉樸 任成龍

(南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院,211167,南京∥第一作者，副教授)

城市軌道交通車輛儲能技術(shù)研究*

王儉樸 任成龍

(南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院,211167,南京∥第一作者，副教授)

介紹了目前已在國內(nèi)外城市軌道交通車輛上使用的電池組、飛輪和超級電容等儲能技術(shù)。從性能和經(jīng)濟(jì)性方面對三種儲能設(shè)備進(jìn)行了比較,指出超級電容是最為理想的儲能方式。通過比較超級電容的車載和地面模式,提出超級電容車載模式是最為經(jīng)濟(jì)的儲能模式。

城市軌道交通車輛; 儲能技術(shù); 儲能方式; 超級電容

Author′s address School of Automotive & Rail Transit,Nanjing Institute of Technology,211167,Nanjing,China

城市軌道交通站間距離短、運行密度高,車輛在頻繁的制動過程中會產(chǎn)生數(shù)量可觀的制動能量。特別是近些年,新投入使用的車輛不斷提速,列車制動能量的存儲和電力再生特別值得關(guān)注。本文首先介紹了目前已在國內(nèi)外城市軌道交通車輛上使用的電池組、飛輪和超級電容等儲能技術(shù);其次對三種儲能技術(shù)在性能和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了比較,指出超級電容是最為理想的儲能方式;最后通過對超級電容的車載和地面模式的比較,提出了超級電容車載模式是最為經(jīng)濟(jì)的儲能模式。

1 城市軌道交通車輛儲能方式

城市軌道交通車輛儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。儲能媒介通過儲能變流器與直流電網(wǎng)相連。目前國際上應(yīng)用的儲能技術(shù)主要有鋰電池儲能、飛輪儲能和超級電容儲能等。由于儲能設(shè)備在安裝方式上存在差異,儲能系統(tǒng)又分為地面式和車載式。地面式是將儲能設(shè)備安裝于地面或隧洞內(nèi),其要考慮能量在傳輸過程中的線損和壓降,需著重考慮儲能設(shè)備的場地設(shè)置等問題。地面式儲能系統(tǒng)技術(shù)成熟,應(yīng)用比較廣泛。車載式儲能系統(tǒng)是將儲能設(shè)備安裝在車輛上,隨車一起牽引運行,其受到車輛本身空間的限制,因此該方式要著重考慮儲能系統(tǒng)設(shè)備的體積和質(zhì)量等問題。

圖1 城市軌道交通車輛儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 城市軌道交通車輛儲能技術(shù)

2.1 鋰電池儲能技術(shù)

鋰電池是一類以鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

由于鋰電池具有高存儲能量密度、低自放電率、充放電過程穩(wěn)定、維護(hù)簡單、造價低等優(yōu)點,使鋰離子電池儲能系統(tǒng)成為近年來國內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點。

2.2 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能是一種機電能量轉(zhuǎn)換裝置,最終以飛輪的機械動能形式實現(xiàn)儲能的目的。

隨著高強度碳素纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)、磁浮技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，給飛輪儲能技術(shù)帶來了很大的發(fā)展空間。

飛輪儲能系統(tǒng)中，飛輪裝置通過儲能變流器與直流電網(wǎng)相連。飛輪裝置結(jié)構(gòu)如圖 2 所示,一般由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動/發(fā)電機、真空容器等主要部件組成。

圖2 飛輪裝置的基本結(jié)構(gòu)

飛輪與同步電機通過軸承連接在一起,通過控制飛輪的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)充放電過程:充電(儲能)時,電能通過儲能變流器驅(qū)動電機運行,電機帶動飛輪轉(zhuǎn)動,飛輪以機械動能的形式將能量存儲起來,完成了電能到機械能的儲能過程;放電時,旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動電機轉(zhuǎn)動,電機作為發(fā)電機,將飛輪的機械動能轉(zhuǎn)化為電能,向直流電網(wǎng)提供電能,飛輪的轉(zhuǎn)速開始下降,完成了機械能到電能的釋放能量過程。

飛輪裝置軸承的性能直接影響飛輪儲能系統(tǒng)的效率、可靠性以及壽命。目前，飛輪儲能系統(tǒng)均采用磁懸浮,這樣可以減少電機旋轉(zhuǎn)時的摩擦,降低機械損耗,提高儲能效率。

目前，飛輪儲能技術(shù)在城市軌道交通車輛的應(yīng)用只限于地面式,沒有車載式的使用先例。主要原因有以下兩方面:①受空間的限制,適合吸收城市軌道交通車輛制動過程所產(chǎn)生能量的飛輪沒有合適的安裝空間;②基于安全方面的考慮,飛輪安裝在運動的車輛上,對于車輛的平穩(wěn)運行有一定的影響。

2.3 超級電容器儲能技術(shù)

超級電容是一種介于電池與傳統(tǒng)電容之間,具有特殊性能的電源,主要依靠雙電層和氧化還原電容電荷儲存電能,通過極化電解質(zhì)來實現(xiàn)儲能。其在儲能的過程中沒有化學(xué)反應(yīng),儲能過程可以實現(xiàn)可逆。超級電容擁有長壽命、快速充放電的特點。超級電容的外形如圖3 所示。

圖3 超級電容的外形圖

超級電容器又名雙電層電容器,是在電極/溶液界面通過離子或電子的定向排列造成電荷對峙而產(chǎn)生。超級電容器的工作原理為:當(dāng)在兩極施加電場后,溶液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)電極移動,在電極表面形成雙電層;當(dāng)撤銷電場后,電極上的正負(fù)電荷與溶液中的電荷離子相吸而形成穩(wěn)定的雙電層;當(dāng)將兩極與外電路連通時,電極上的電荷在外電路中移動產(chǎn)生電流,溶液中的離子移動后呈中性。

雙電層電容器、 AC/ Ni(OH)2混合水系電容器和鋰離子電容器等三種超級電容器在產(chǎn)品特性和經(jīng)濟(jì)性等方面的對比見表1。綜合考慮,一般選擇雙電層電容器作為城市軌道交通車輛儲能系統(tǒng)的儲能元件。

表1 三種超級電容器特性比較

3 三種儲能技術(shù)性能的比較

表2為鋰電池、飛輪、超級電容等三種儲能技術(shù)的性能比較。由表2可見,飛輪儲能在能量密度、功率密度方面的表現(xiàn)比較突出,循壞壽命相對較長。飛輪儲能技術(shù)之所以在城市軌道交通中應(yīng)用較少,是因為其存在以下不足之處：首先,它有一個潛在的危險,就是在災(zāi)難性故障情況下會發(fā)生爆炸(例如在過載情況下，雖然其采用了現(xiàn)代纖維的復(fù)合材料來增強旋翼,但仍然無法在破壞性方面有明顯改善,既便有多重屏障安全保護(hù)(比如真空室作為第一安全圍欄),但潛在的危險仍然存在)；其次,飛輪儲能的質(zhì)量相對較大；此外,飛輪儲能具有較高的自放電率,可達(dá)到100%。以上原因嚴(yán)重阻礙了飛輪儲能技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用。

表2 車載鋰電池、飛輪、超級電容儲能的性能比較

和鋰電池相比較,超級電容循環(huán)壽命比較長,大約是鋰電池的103倍;功率密度大,大約是鋰電池的10倍。而相較超級電容,鋰電池的能量密度大，相同容量下鋰電池?fù)碛懈〉捏w積,鋰電池的密度大約是超級電容的15倍,更適合對安裝空間有嚴(yán)格要求的儲能方案;鋰電池的自放電率低,鋰電池的自放電率只有0.1%～0.3%,而超級電容的自放電率為20%～40%。

成本資金方面,鋰電池和超級電容相當(dāng)。而在最快放電時間方面,超級電容有明顯優(yōu)勢,是ms級,而鋰電池是s級。但對于地鐵車輛而言,鋰電池也能滿足要求,因為一般地鐵列車在車站的停靠時間為45 s左右。

由表2可知,鋰電池和超級電容在性能上各有優(yōu)勢,可以進(jìn)行優(yōu)勢互補。因此,鋰電池和超級電容通過串并聯(lián)組合的混合儲能方式也是一種節(jié)能儲能的方法?？梢猿浞掷贸夒娙萜鞯拇蠊β拭芏扰c鋰電池的大能量密度。利用鋰電池擴充存儲容量,彌補超級電容器能量密度小的缺點,以提高儲能經(jīng)濟(jì)性;利用超級電容器吸收線路上瞬時變化的大電流沖擊,保護(hù)鋰電池組,以提高儲能系統(tǒng)的壽命。

通過已有的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗可以看出,飛輪儲能技術(shù)在軌道交通中鮮有應(yīng)用,尤其是城市軌道交通車輛車載飛輪儲能系統(tǒng),目前只在文獻(xiàn)[12]中有提及。

鋰電池儲能在軌道交通中的研究和應(yīng)用越來越受關(guān)注,但目前實際應(yīng)用不多。鋰電池儲能系統(tǒng)具有能量密度高、體積小等優(yōu)點,無架線的行車區(qū)間比較適合采用,列車在區(qū)間內(nèi)可依靠車載鋰電池提供動力。

超級電容在實際中應(yīng)用較多,不管是車載式還是地面式都有應(yīng)用。對依靠架線供電的軌道交通系統(tǒng),可通過在線路上設(shè)置功率密度大的地面式超級電容儲能系統(tǒng)來達(dá)到節(jié)能的目的。目前，針對超級電容儲能技術(shù)的優(yōu)化主要有以下幾方面:①減少能量消耗;②減少地面式儲能系統(tǒng)的線上峰值功率;③穩(wěn)定線壓;④車載式儲能系統(tǒng)自動運營。

車載式相比地面式更具優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下兩方面:①可以減少地面式能量在傳輸過程中的損耗;②車載式在運行過程中更具靈活性。

如何更加經(jīng)濟(jì)和有效地在城市軌道交通車輛中應(yīng)用鋰電池儲能、飛輪儲能和超級電容儲能,目前仍是研究的熱點。本文對上述三種儲能方式的優(yōu)缺點比較見表 3。

表3 鋰電池、飛輪、超級電容儲能的優(yōu)缺點比較

4 結(jié)語

在選擇能量存儲媒介過程中,考慮的因素主要包括尺寸、質(zhì)量、效率、性價比和負(fù)載的循環(huán)能力等。

對于地面式儲能系統(tǒng),可選擇超級電容儲能系統(tǒng)或者飛輪儲能系統(tǒng),但飛輪儲能系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中存在潛在的風(fēng)險,所以目前超級電容儲能系統(tǒng)是最佳的選擇。當(dāng)然,不論地面式儲能系統(tǒng)選擇何種儲能媒介,均要考慮線損,選擇儲能系統(tǒng)的安裝位置是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

對于車載式儲能系統(tǒng),可選擇超級電容儲能或鋰電池儲能。從性價比方面考慮,超級電容有較長的循環(huán)壽命和高功率密度,目前應(yīng)用較多,是一種比較理想的儲能方式。鋰電池有體積優(yōu)勢,但循環(huán)壽命較短。其在充放電時有較高的電流,在實際運用過程中仍有一些問題有待解決,如鋰電池組有較大的內(nèi)阻,在充放電過程中使內(nèi)部產(chǎn)生熱量。因此,為確保安全運行,需強制性使用電池管理系統(tǒng),使其至少有過電壓、欠壓、過溫、過流保護(hù)。更先進(jìn)的系統(tǒng)可提供電池電壓的平衡,確保所有的電池都在相同的電壓和充電狀態(tài)下運行。

地面式儲能系統(tǒng)不僅要考慮能量在傳輸過程中的線損和壓降,而且要考慮儲能設(shè)備的場地設(shè)置等問題;同時,對于能量的管理涉及到該線路的整個供電網(wǎng)。而車輛安裝車載儲能系統(tǒng)后,不僅可減少牽引網(wǎng)的電壓跌落,從一定程度上改善供電質(zhì)量,同時可增大超級電容在列車惰性行駛時的放電電流,進(jìn)一步釋放儲能空間,提高節(jié)能效果。通過對超級電容的車載和地面模式的比較,認(rèn)為超級電容車載模式是最為經(jīng)濟(jì)的儲能模式。

此外,在選擇城市軌道交通儲能媒介時,還要充分考慮設(shè)備的成本、后期維修和安裝等實際問題。

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Research of Energy Storage Technology for Urban Rail Transit Vehicle

WANG Jianpu,REN Chenglong

From the aspect of performance and fuel economy, 3 types of energy storage technology: battery, flywheel and super capacitor are introduced and compared. The result shows that the super capacitor is the most ideal way of energy storage. By comparing the on-board and ground modes of super capacitor, the super capacitor on-board mode is regarded as the most economical energy storage mode.

urban rail transit vehicle; storage technology; storage mode; super capacitor

*南京工程學(xué)院科研創(chuàng)新基金面上項目(CKJB201311)

U 270.35+9

10.16037/j.1007-869x.2017.01.029

2015-03-31)