超級電容在輕軌上應用

艾子洋（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

超級電容在輕軌上應用

艾子洋
（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。從經濟角度看，城市軌道交通系統的能耗最引人關注，能耗費用占了運營費用的相當大的部分。怎樣有效利用能源、減少能耗，是擺在我們面前的一個重要課題。調查顯示，在城市軌道車輛的能耗中，牽引能耗占了90%，車輛輔助設備能耗占10%。如果使用超級電容等能量管理設備，相當一部分電能消耗量就可以在車輛制動時反饋回供電系統，以供給正在加速的車輛使用。此外，由于列車啟動和制動會引起電壓的波動，若采用合適的能量管理設備，就可以減小電網電壓的波動，從而提高供電質量。本文講述超級電容在沈陽70% 及100%輕軌車上的應用實驗。首先對超級電容的應用問題和超級電容常用儲能方式還有雙向變換器的策略進行了研究，接著對電容應用在車輛上在廠內實驗的有關問題。并結合實驗實際的需要，進行了輔助實驗設備的設計與制作。最后保障電容在車輛上應用平穩。

雙向DC/DC變換器 超級電容 車載能量管理系統 列車廠內實驗

1　緒論

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。從經濟角度看，城市軌道交通系統的能耗最引人關注，能耗費用占了運營費用的相當大的部分。怎樣有效利用能源、減少能耗，是擺在我們面前的一個重要課題。

在城市軌道交通中，再生制動能量能夠被相鄰列車吸收利用，若不能被完全吸收，那么剩余的再生制動能量會使線網電壓迅速上升，為防止再生失效，通常利用制動電阻將剩余能量消耗掉，這造成極大地浪費并帶來溫升的問題。近年來，隨著超級電容、飛輪等新型儲能技術的發展，如何利用儲能裝置吸收利用再生制動能量是城軌交通當今研究的熱點課題。目前在中國城市軌道交通市場， 2013年長春軌道客車股份有限公司為遼寧省沈陽市制造了70%及100%超級電容輕軌列車并在廠內完成了相關型式試驗試驗，該車采用超級電容作為輔助動力能源，在城市軌道交通使用時過無電區使用。（1）常見儲能方式。城市軌道車輛質量較大，運行速度較高，所以其制動時的機械能很大，平均每輛車制動時的動能可達幾千千焦。而且制動時間還短，這就要求儲能裝置能夠實現在制動時間內吸收大量能量的功能，并且易于安裝在城市軌道車輛上，易于維護、保養，使用壽命長。目前，儲能裝置在我們日常生活和社會進步中扮演重要的角色。傳統的儲能裝置主要是蓄電池，經過歷代的發展，蓄電池技術已逐步趨向成熟，性能也趨向穩定，不過受到儲能方式本身特性的限制，一些主要性能總是難以提高，同時它的環境污染和腐蝕問題在注重環保的今天，與社會的進步顯得尤為不和諧。所以人們逐漸將目光放在了更加先進的儲能方式上。飛輪儲能以及超級電容儲能是新興儲能方式的代表，它們綠色環保，符合國家提倡的可持續發展及建設節約型社會的發展策略，近年來得到普遍的重視和大力發展。（2）超級電容器。超級電容器是利用電極和電解液之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。對超級電容的正極板施加的電勢吸引電解液中的負離子，而負極板吸引電解液中的正離子，從而使電極與電解液之間出現穩定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。這種電容器的儲能是通過使電解質溶液進行電化學極化來實現的，儲能機制過程中并沒有產生電化學反應，所以儲能過程是可逆的。它具備傳統電容那樣的放電功率，也具備化學電池儲備電荷的能力。（3）超級電容特性。超級電容器與市場上出現的其他儲能設備，如鉛酸蓄電池、錫鎳電池、氫鎳電池等相比，具有以下突出的優點：1）功率密度高。可達300W/KG~5000W/KG，相當于鉛酸蓄電池的5-10倍。2）充放電循環壽命長。超級電容器在充放電過程中沒有發生電化學反應，其循環壽命可達萬次以上。而目前常用的密封式鉛酸蓄電池的循環壽命只有幾百次，使用壽命大約為3-5年。3）充電時間短。超級電容完全充電只需數分鐘甚至幾十秒鐘；而蓄電池則需要數小時才能完成充電。4）可靠性高，免維護。超級電容的維護工作極少，可實現真正的免維護，而蓄電池所謂的“免維護”僅指使用期間無需加水，在實際工作中仍必須進行定期維護。 5）環境溫度對正常使用的影響不大。超級電容器正常工作溫度范圍在一40-65℃，而蓄電池則對溫度要求較高，標準使用溫度為25℃，平時不能超過15-30℃的范圍。6）檢測方便。超級電容的容量與其端電壓有著嚴格的對應關系。而蓄電池的容量檢測，不論是離線式還是在線式檢測，都需要進行繁瑣的工作。7）體積小，外形緊湊，便于安裝，節省空間。

2　超級電容在輕軌車上實際調試應用

2.1靜態功能

在完成文件要求試驗的基礎上，增加各系統在靜態條件下的深度試驗。（例如門開關1000次，制動系統磁軌制動下落20次，超級電容充放電試驗10次等試驗）根據試驗結果總結《70%低地板深度試驗說明》，對《深度試驗故障記錄單》中提出的問題聯合方法部進行技術分析，并制定解決方案。

2.2動態功能

車輛靜態試驗結束后，沈陽70%動態DC/DC調試試驗，試驗要求斷開VCU電源和BCU電源。斷開VCU電源后，車輛屬于網絡故障狀態，導致IDU顯示屏無法顯示DC/DC電壓，操作者很難確認DC/ DC是否充電正常，所以使用此設備。

詳細介紹：（1）該裝置在初送電狀態下顯示LED顯示為零，兩快電路板電源指示燈均得電。（2）在VCU通訊正常狀態下IDU顯示DC/DC電壓為401V，該裝置與VCU通訊后顯示電壓為401V與IDU顯示相同。（3）當IDU顯示DC/DC電壓超過500V時，該裝置顯示電壓與IDU顯示電壓相同，但裝置中蜂鳴器響起，發光二極管閃爍，告訴操作者DC/DC電壓已經超過500V以上，應停止對超級電容充電。（4）在動態調試超級電容試驗時須斷開兩端VCU電源，使網絡處于異常狀態，導致IDU通訊中斷。在試驗中，無法確定超級電容充電電壓，該裝置滿足在網絡通訊異常時仍能顯示超級電容電壓，使操作者能準確的監控超級電容狀態。

3　結語

本文通過車輛上相關實驗，進一步觀察超級電容在車輛應用。使車輛在出廠前能夠穩定運行。到達用戶現場車輛可以在無電區自動投入使用。

［1］陳朗.超級電容在城市軌道交通系統中的應用［J］.都市快軌交通. 2008（3）.

［2］張慧妍，韋統振，齊智平.超級電容器儲能裝置研究［J］.電網技術，2006，30（8）.

［3］嚴海旭.一種雙向DC-DC變換器的設計與研究［D］.南京林業大學，2012.