城市轨道交通车辆储能技术研究 倪长平

城市轨道交通车辆储能技术研究倪长平
发表时间：2019-12-30T13:00:27.830Z 来源：《基层建设》2019年第26期作者：倪长平
[导读] 摘要：近年来，随着经济的发展和社会的进步，城市轨道交通的车站之间距离较短，车辆需要频繁地进行制动，而在此运行过程当中就对于车辆储能技术有了更高的要求。

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摘要：近年来，随着经济的发展和社会的进步，城市轨道交通的车站之间距离较短，车辆需要频繁地进行制动，而在此运行过程当中就对于车辆储能技术有了更高的要求。

近年来，飞轮储能、锂电池储能以及超级电容器等储能技术成为国内外城市轨道交通车辆的主流，这些技术之间有着较大的区别，在城市轨道交通车辆应用也产生了不同的效果。

本文对这三种储能技术进行分析以及研究，通过性能的对比，提出新时期城市轨道交通最优储能技术。

关键词：城市轨道；交通车辆；储能技术
引言
城市轨道交通站间距离短、运行密度高，车辆在频繁的制动过程中会产生数量可观的制动能量。

特别是近些年，新投入使用的车辆不断提速，列车制动能量的存储和电力再生特别值得关注。

本文首先介绍了目前已在国内外城市轨道交通车辆上使用的电池组、飞轮和超级电容等储能技术；其次对三种储能技术在性能和经济性方面进行了比较，指出超级电容是最为理想的储能方式；最后通过对超级电容的车载和地面模式的比较，提出了超级电容车载模式是最为经济的储能模式。

1储能元件介绍
1.1蓄电池
蓄电池是较为传统的储能器件，按正极材料可分为铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、镍锌电池和锂电池，负极一般为石墨类材料。

磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池是当前最先进、适用于大功率应用的动力蓄电池。

锂离子蓄电池储能是一项有成熟应用经验的技术，在汽车、轨道车辆等领域应用较为广泛，其优点是比能量高、费用低，缺点是受温度的影响明显，温度过低会导致容量和功率急剧下降，温度过高极易导致热失控，在极端情况下（如车辆碰撞）可能会引起电气火灾。

目前锂离子蓄电池的充电/放电循环寿命无法满足10年运用的设计寿命要求，并需要进行日常维修和检测。

1.2双电层型超级电容器
学术界所说的超级电容通常是指双电层型超级电容器，又称电化学电容器，是20世纪50年代发展起来的一种新型储能装置，结构上同普通电解电容非常相似。

超级电容器利用多孔活性炭电极与电解液界面之间形成双电层或电极表面快速的氧化还原反应来储存电能，核心部件是电极材料、隔膜、电解液三部分，其主要特点有：①充放电循环寿命长，可达100万次循环；②可快充快放，功率高，充放电电流可达500C以上；③绿色环保，无有害气体和重金属的污染；④低温性能良好。

1.3混合型超级电容器
混合型超级电容器又称电池电容，是一种同时利用化学储能和物理储能原理工作的储能器件，正极采用双电层特性的活性炭材料，通过对负极材料进行锂离子的预掺杂，使负极电位大幅度下降，从而提高能量密度。

混合型超级电容器的负极采用锂离子电池的负极，正极采用双电层型电容器的正极，一极发生电池的化学反应，一极发生电容的物理反应，因此其比能量要比仅仅依靠表面电荷吸脱附储能的有机系双电层型超级电容（全碳双电层）大的多。

其主要特点有：①能量密度高，可达15-50Wh/kg以上；②由于电池材料的加入，混合型超级电容的漏洞减少，可长时间放置；③循环寿命可达3万-5万次。

2城市轨道交通车辆储能技术研究
2.1飞轮储能
飞轮储能技术主要是通过飞轮的机械动能实现储能，这是一种机电转化的装置。

随着碳纤维复合材料、电力电子、磁悬浮、高温超导等相关技术的发展，飞轮储能技术得到长足发展。

在飞轮储能装置当中，主要是通过变流器与直流电网之间直接连接，包括飞轮的转子电动机、发电机、轴承以及真空容器等多个部件。

飞轮装置需要与同步的电机通过轴承连接在一起，然后控制飞轮的转速，从而实现放电过程。

在进行充电时，电能能够通过变流器直接驱动电机的运行，电动机同时带动飞轮转动，在此过程当中，飞轮就可以将机械动能逐渐转化为电能，并且存储起来，这就完成了储能的过程。

在放电时旋转的飞轮会带动电机的旋转。

而电动机作为发电机就会逐步将飞轮的机械能转化为电能，并且将电能提供给直流电网，飞轮的转速也就逐步开始下降，这就完成了电能的释放过程。

在飞轮装置当中，轴承的性能直接决定了最终储能工作的效率以及可靠性，大多数飞轮储能都是通过磁悬浮的方式应用的，这样可以减少电机旋转时受到的摩擦力，减少机械本身的损耗，提升飞轮储能技术的工作效率。

但是，飞轮储能技术在城市交通轨道车辆进行应用时，目前仅仅通过地面试的方式来进行。

这主要是由于飞轮储能技术需要足够的安装空间，但是车载式的车辆却受到了空间的限制。

另外，在安全方面进行考虑，飞轮储能装备不能够安装在运动的车辆上，这会对于车辆的平稳运行产生影响，因此飞轮储能设备当前仅仅在地面式的储能装置当中得到应用。

2.2锂电池储能
锂电池是一种通过锂金属或者是锂合金金属的氧化物作为正极材料，而石墨作为负极材料，通过非水电解制溶液产生的电池。

锂电池可以分为锂金属电池以及锂离子电池。

锂离子电池不含有金属态的锂，可以进行充电。

锂电池自身的储能密度非常高，而放电率则相对较低，在充放电的过程会保持稳定，同时造价相对较低。

在国内外众多学者研究当中，理离子电池储能系统是一种较为热点的研究对象。

锂电池储能技术的能量相对较高，使用寿命也非常长，具有高功率承受压力，重量也相对较低，具有绿色环保的特点。

但是同时锂电池的安全性相对较差，有发生爆炸的危险。

同时，锂离子电池在应用时需要保护线路，防止电池被过度充电放电。

另外离电池的使用条件也相对有限，在高温的条件下使用会非常危险。

对于生产条件也要求高，锂离子电池的成本也仍然相对较高。

2.3超级电容器储能技术
超级电容是一种介于电池与传统电容之间，具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能，通过极化电解质来实现储能。

其在储能的过程中没有化学反应，储能过程可以实现可逆。

超级电容拥有长寿命、快速充放电的特点。

超级电容器又名双电层电容器，是在电极／溶液界面通过离子或电子的定向排列造成电荷对峙而产生。

超级电容器的工作原理为：当在两极施加电场后，溶液中。