超級電容牽引供電制式在現(xiàn)代有軌電車上的應(yīng)用

李 君 孔小銘

（天津泰達(dá)城市軌道投資發(fā)展有限公司，天津300457）

0 引言

現(xiàn)代有軌電車區(qū)別于輕軌和地鐵的建設(shè)方式，運(yùn)營線路大多與社會(huì)行駛道路共線，穿梭于城市之中，對城市景觀要求較高，而傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電制式對城市景觀，尤其是敏感區(qū)域的影響更大。為充分體現(xiàn)與城市景觀的融合，現(xiàn)代有軌電車的供電制式逐步由接觸網(wǎng)向無觸網(wǎng)發(fā)展，尤其是超級電容無觸網(wǎng)供電制式的出現(xiàn)，大大提升了沿線景觀和城市形象，因而受到了各車輛主機(jī)廠和各城市的廣泛關(guān)注。

本文將從現(xiàn)代有軌電車供電制式分類、不同供電制式的優(yōu)缺點(diǎn)、超級電容工作原理及技術(shù)特點(diǎn)以及國內(nèi)超級電容有軌電車應(yīng)用現(xiàn)狀等多個(gè)角度進(jìn)行詳細(xì)闡述，為后續(xù)新線有軌電車工程提供決策依據(jù)。

1 現(xiàn)代有軌電車供電制式分類

現(xiàn)代有軌電車作為城市軌道交通的重要分支機(jī)構(gòu)，在供電制式分類上比地鐵、輕軌等傳統(tǒng)軌道交通更多種多樣。從已運(yùn)營和在建項(xiàng)目建設(shè)情況來看，當(dāng)前有軌電車有兩種不同的供電制式：第一種是接觸網(wǎng)供電，第二種是無接觸網(wǎng)供電，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代有軌電車供電制式分類

1.1 接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)

現(xiàn)代有軌電車接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)類似于輕軌和地鐵的傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)，主要由接觸懸掛和支持裝置組成，接觸網(wǎng)供電導(dǎo)線采用高導(dǎo)電率的銀銅合金，承力索采用硬銅絞線，支持裝置采用旋轉(zhuǎn)腕臂方式或軟橫跨方式。接觸網(wǎng)供電導(dǎo)線懸掛在立柱上，車輛通過受電弓從接觸網(wǎng)導(dǎo)線受電。目前，天津、上海、沈陽等已建成的現(xiàn)代有軌電車多采用此種供電方式，如圖2所示。它的優(yōu)點(diǎn)為應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟可靠，造價(jià)低，國內(nèi)生產(chǎn)廠家均具備生產(chǎn)能力；但其景觀效果稍差，不適用于景觀要求較高的城市。

1.2 無觸網(wǎng)供電系統(tǒng)

1.2.1 第三軌供電系統(tǒng)

（1）APS地面供電系統(tǒng)：由阿爾斯通公司研發(fā)的地面供電系統(tǒng)，特點(diǎn)是供電軌埋設(shè)在兩股鋼軌之間，供電軌表面與軌道面均與地面相持平，屬于第三軌供電制式。車輛底部安裝受電靴，運(yùn)行中，地面感應(yīng)裝置檢測到有車輛通過時(shí)，相應(yīng)導(dǎo)電軌接通電源而帶電，車輛通過受電靴從導(dǎo)電軌上受電，沒有車輛通過時(shí)導(dǎo)電軌不帶電，不對從上面通過的人和社會(huì)車輛造成危險(xiǎn)。

圖2 天津?yàn)I海新區(qū)現(xiàn)代有軌電車

它的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，景觀效果較好；缺點(diǎn)是工程造價(jià)高，且道路表面積水時(shí)可能出現(xiàn)漏電隱患，因此對沿線區(qū)域排水系統(tǒng)要求較高，我國較多城市排水系統(tǒng)估計(jì)很難達(dá)到要求。

（2）Tramwave地面供電系統(tǒng)：由意大利安薩爾多公司研發(fā)的地面供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用連續(xù)的3～5 m長的模塊組成，每個(gè)模塊上均勻分布著若干段50 cm長金屬板。在兩股軌道中間埋設(shè)電源，電源上方安裝導(dǎo)電軌，當(dāng)列車通過時(shí)，受車底磁性受流器作用，導(dǎo)電模塊在磁力作用下提升，將電源和導(dǎo)電軌接通，受流器和導(dǎo)電軌相接觸得電；列車通過后，磁力消失，導(dǎo)電模塊落下，導(dǎo)電軌失電。國內(nèi)北京、珠海應(yīng)用該技術(shù)。

它的優(yōu)點(diǎn)是景觀效果好，導(dǎo)電軌長度短，且與APS地面供電系統(tǒng)相比，積水深度為10 cm時(shí)受流器范圍外電壓在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；缺點(diǎn)是工程造價(jià)高，平交路口施工質(zhì)量要求高，后期運(yùn)營維護(hù)工作量大。

1.2.2 磁感應(yīng)供電系統(tǒng)

由龐巴迪公司研發(fā)的磁感應(yīng)供電系統(tǒng)，原理是將電纜預(yù)先埋設(shè)在軌道下方并形成回路，在車輛底部布置耦合線圈，車輛通過車載儲能裝置啟動(dòng)，電纜回路通電形成電磁場，運(yùn)行中車輛底部耦合線圈不斷切割磁力線，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，形成電流，為車輛供電。它的缺點(diǎn)是建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)成本高。

1.2.3 儲能式供電系統(tǒng)

（1）蓄電池供電系統(tǒng)：蓄電池作為儲能裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是單體電壓高、能量密度高，適用于車輛空間有限的情況，它的缺點(diǎn)也比較明顯：充電時(shí)間較長。國內(nèi)首輛采用蓄電池驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)代有軌電車是南京河西有軌電車，該車由南京浦鎮(zhèn)公司生產(chǎn)，該型車充分結(jié)合低地板有軌電車技術(shù)與蓄電池儲能技術(shù)，充電方式為車站采用架空接觸軌充電，站區(qū)間為無網(wǎng)，由車載蓄電池提供牽引動(dòng)力。車站接觸軌安裝在站臺區(qū)域上方，當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)受電弓升起，利用停站的較短時(shí)間為蓄電池充電，出站后降弓，由蓄電池獨(dú)立供電牽引至下一車站再進(jìn)行充電。該車型配置兩組蓄電池裝置，每組蓄電池能量達(dá)49 kW·h，容量至少為92 Ah，列車充滿電后可在AW3工況下獨(dú)立運(yùn)行8 km。

（2）超級電容供電系統(tǒng)：現(xiàn)代有軌電車超級電容供電系統(tǒng)是近幾年迅速發(fā)展起來的一種新型供電系統(tǒng)，它的充放電過程與蓄電池不同，是一種電荷聚集的物理反應(yīng)，電容單體安全穩(wěn)定，在火燒、沖擊、擠壓等情況下都不存在爆炸或燃燒的危險(xiǎn)。它引起大家廣泛關(guān)注的最大優(yōu)點(diǎn)是充電速度極快，可在極短的時(shí)間內(nèi)在大電流下迅速完成充電作業(yè)；缺點(diǎn)是能量密度低，質(zhì)量體積較大，對當(dāng)前整車減重指標(biāo)有較大影響，且占用車輛設(shè)備空間大。武漢、廣州和淮安等地都采用無觸網(wǎng)超級電容供電系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 武漢“光谷量子號”現(xiàn)代有軌電車

2 超級電容工作原理及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

2.1 工作原理

超級電容器是利用電極/電解質(zhì)界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面快速氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實(shí)現(xiàn)電荷和能量儲存的一種新型儲能裝置。它的基本原理和其他類型的雙電層電容器一樣，均是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。在雙電層電容器中，采用活性炭材料制成多孔電極，同時(shí)在相對的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液。當(dāng)在兩端施加電壓時(shí)，對應(yīng)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子，且因?yàn)殡妶鲎饔茫娊赓|(zhì)溶液中的正負(fù)離子將分別聚集到與正負(fù)極板相對的界面上，從而形成兩個(gè)集電層，相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)。

2.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

對比蓄電池等其他新型儲能裝置，超級電容有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：（1）綠色節(jié)能，不污染環(huán)境；（2）使用壽命長，可進(jìn)行50萬次充放電，是一般蓄電池的200倍；（3）充電速度超快；（4）充放電效率高，最高可達(dá)98%；（5）功率密度高；（6）免維護(hù)，工作溫度范圍廣（-40～50℃）；（7）能量回收強(qiáng)，緊急制動(dòng)能量回收高達(dá)85%，比普通有軌電車節(jié)能30%左右。

3 國內(nèi)超級電容現(xiàn)代有軌電車技術(shù)參數(shù)對比

因超級電容具有技術(shù)成熟、可靠度高和全線無觸網(wǎng)、景觀效果好等優(yōu)勢，國內(nèi)多個(gè)城市都采用此技術(shù)，表1列舉了武漢、廣州和淮安等國內(nèi)采用超級電容供電制式的現(xiàn)代有軌電車技術(shù)參數(shù)對比。

表1 國內(nèi)超級電容現(xiàn)代有軌電車技術(shù)參數(shù)對比

4 結(jié)語

超級電容作為一種新型的車載儲能裝置，具有安全可靠、綠色環(huán)保、免維護(hù)等特點(diǎn)，特別是具有超大續(xù)航和快速充電能力，是改善和解決電能動(dòng)力應(yīng)用問題的突破性元器件。隨著國內(nèi)城市軌道交通的迅猛發(fā)展，城市建設(shè)對軌道交通的安全運(yùn)行、環(huán)保等要求越來越嚴(yán)格，超級電容無觸網(wǎng)供電制式在滿足城市景觀高要求的同時(shí)，也有效解決了當(dāng)前地面軌道交通所遇到的各種問題，符合城市未來發(fā)展需要。

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