超级电容在城市轨道交通车辆中的应用进展

８４ 铁 道 机 车 车 辆 第３９卷
拉纳达有 轨 电 车均 装载 ８．２ｋＷｈ 超级 电 容 组／３０ｋＷｈ 锂电 池 组 混 合 储 能 系 统，分 别 保 障 了 ２．０５ ｋｍ 和 ４．９５ｋｍ 的无触网区段供电牵引，其中超级 电 容组 均采 用２．７Ｖ／３０００Ｆ 超级电容集成。
２０１３年中车长春轨道 客 车 股 份 有 限 公 司 研 制 了 中 国第一个成网运行的架空接触网和超级电容复合电源 牵引 供 电 型 现 代 有 轨 电 车 （如 图 １（ｂ）），并 在 沈 阳 浑 南 运营。该有 轨 电 车 选 择 由 ２．７ Ｖ／３０００Ｆ 超 级 电 容 单 体组装的４８Ｖ／１６５Ｆ 模组为 单 元，组 装成 １．６ｋＷｈ 的 储能系统［１０１１］，实现了有轨电车在无网 区 运 行 以 及 制 动 能量的回收。
乔 志 军 ，阮 殿 波 （宁波中车新能源科技有限公司，中国中车超级电容储能及节能技术研发中心，浙江宁波 ３１５１１２）
摘 要 轨道交通车辆逐渐由从高速、重载向绿 色、智 能 技 术 转 型，而 超 级 电 容 的 高 比 能、高 功 率、长 寿 命 的 优 点， 使其在轨道交通车辆领域获得快速发展。从近些年超级电容在轨道交通车辆的 应 用 出 发，重 点 阐 述 了 超 级 电 容 在 有轨电车的牵引、制动，地铁的制动能量回收、应急牵引，混合动力动车组的牵引 加 速、制 动 等 方 面 的 技 术 特 点 及 进 展。 关 键 词 超 级 电 容 ；有 轨 电 车 ；制 动 能 量 ；混 合 动 力 中 图 分 类 号 ：Ｕ２３９．５ 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－７８４２．２０１９．０２．１８
根据超级电容的 储 能 原 理，其 可 以 分 为 ３ 类：双 电 层电 容 器 （ＥＤＬＣ）、赝 电 容 电 容 器、混 合 型 电 容 器 。 ［５］ ＥＤＬＣ 是一种依靠多孔碳 电 极 在 充／放 电 条 件 下，吸／脱 附电解液离子 进 行 储 能／释 能 的 装 置；赝 电 容 电 容 器 是 一种依靠金属 氧 化 物 电 极 在 充／放 电 条 件 下，电 极 表 面 发生氧化还原反应的储能器件；混合 型电容 器 是一 种依 靠正极为 ＥＤＬＣ 用多孔碳材料，负极为锂离子电池正极 材料，或者正极为锂电池正极材料和 ＥＤＬＣ 用多孔碳的 复合材料，负极为 软、硬 碳 等 材 料 进 行 电 化 学 储 能 的 器 件，前 者 统 称 为 锂 离 子 电 容 器［６７］，后 者 称 为 电 池 电 容 。 ［８９］
图 １ 典 型 电 网／超 级 电 容 混 合 Hale Waihona Puke Baidu 引 型 有 轨 电 车
２０１２年９月，ＣＡＦ 公 司 的 有 轨 电 车 在 西 班 牙 萨 拉 戈 萨 （如 图１（ａ））和 格 拉 纳 达 商 业 运 营 。萨 拉 戈 萨 和 格
工 信 部 “工 业 强 基 ”项 目 ——— 轨 道 交 通 用 动 力 型 超 级 电 容 器 （０７１４ＥＭＴＣ０２５５９３／５） 乔 志 军 （１９８５— ）男 ，高 级 工 程 师 （收 稿 日 期 ：２０１８－１０－０３）
次的充放电循 环）；赝 电 容 电 容 器 的 储 能 依 靠 电 极 表 面 反应，比功 率 虽 然 低 于 ＥＤＬＣ，但 高 于 混 合 型 电 容 器。 根 据 不 同 的 市 场 ，可 以 选 择 合 适 的 超 级 电 容 。 ２ 超 级 电 容 在 城 市 轨 道 交 通 中 的 应 用 ２．１ 电 网／超 级 电 容 混 合 牵 引 型 有 轨 电 车
西班牙 ＣＡＦ 公司采用２．７Ｖ／３０００Ｆ 超 级电 容单 体为基础储能部件，配置成８．２ｋＷｈ 的 储 能 系 统，研 制 出了电网／超级电容混合牵引型有 轨电车，并于 ２０１１ 年 在西班牙塞维利亚运营。该车在无网区段全部采用超 级电容牵引，平均每天无网运 行 １３０ｋｍ，首 次实 现 了 有 轨电车在无电网区的电力牵引，起到了 调控道 路交 通资 源 ，抑 制 小 汽 车 滥 用 的 作 用 ，取 得 良 好 的 社 会 效 益 。
ＥＤＬＣ 的储能 过 程 理 论 上 为 电 子 吸 附 电 荷 的 纯 物 理过程，因此与其 他 超 级 电 容 相 比，其 拥 有 更 高 的 比 功 率 （＞１０ｋＷ／ｋｇ）和 更 长 的 使 用 寿 命 （１００ 万 次 充 放 电 循 环）；混合型电容器的储能过程既有电化 学 反应，又伴随 物理吸附，因此其具有更高的 比 能量（＞２０ｋＷ／ｋｇ），而 与赝 电 容 电 容 器 相 比 ，其 具 有 长 的 使 用 寿 命 （高 于５万
第 ３９ 卷 第 ２ 期
铁道机车车辆
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．２
２０１９年４月 ＲＡＩＬＷＡＹ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ ＆ ＣＡＲ Ａｐｒ． ２０１９
文章编号：１００８－７８４２ （２０１９）０２－００８３－０４
超级电容在城市轨道交通车辆中的应用进展
作为一 种 新 型 的 储 能 装 置，超 级 电 容 具 有 快 速 充 电、高比能量、超 高 功 率 （＞３ｋＷ／ｋｇ）、宽 使 用 温 度 （－ ４０ ℃～７０ ℃）、超长寿 命（循 环 充 放 电 高 于 ５ 万 次）、高 安全（满电穿刺、挤 压 等 不 爆 炸）等 优 势，因 此 其 既 可 以 实现城市轨道交通车辆在短时间内的高功率牵引及制 动能量的回馈［１３］，也可以与电 池 联 用，实 现 高 功 率 储 能 及能量快速释放，延长电池的 使 用 寿 命 。 ［４］ 针 对 超 级 电 容在城市轨道交通领域的应用，分析 超级电 容 在有 轨电 车、地铁、混合动力动车组等轨道车辆应 用 中的 优缺点， 并展望超级电容在未来轨道交通领域的发展方向。 １ 超 级 电 容 介 绍