城市軌道交通車輛儲能技術簡析

蔡政　李臣

摘要：城市軌道交通作為城市交通運輸的主要方式，在提高了城市發展節奏的同時，也消耗了巨大的能量。所以在城市軌道交通中，儲能技術不但能夠減少能源的消耗，同時還能夠使車輛運行狀態更加平穩，對城市軌道交通的發展具有非常重要的意義。本文對城市軌道交通車倆儲能技術進行探究，為城市軌道交通的發展提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通;車輛;儲能技術

城市軌道交通區別于長距離的軌道交通，由于車站間距短，運行密度高，所以在車輛的頻繁制動過程中，會損失大量的能量，如何將這些能量收集起來，避免能量的損耗是目前城市軌道交通研究的重要課題。尤其是近些年，隨著軌道交通技術的不斷進步，列車的速度也越來越快，如何進行列車制動能量的儲存和電力的轉換，成為了關注的要點。本文對城市軌道交通的三種儲能技術進行分析，從而找到性能最佳的儲能方式。

一、城市軌道交通車輛儲能技術

（一）鋰電池儲能技術

城市軌道交通儲能技術之一就是鋰電池儲能，很多人對于鋰電池都不陌生，作為電能儲存最為常用的形式，也可以應用于軌道交通車輛的儲能之中。鋰電池是通常是以鋰合金的氧化物作為電池的正極，而石墨材料作為電池的負極。通過在電池中加入電解質溶液，制作完成的電池。鋰電池具有很多優點，例如儲能穩定，能量存儲密度高，自身的放電率低，使用過程中維護簡單等優秀性能。除此之外，由于技術成熟，所以鋰電池的成本很低，成為了城市軌道交通儲能技術研究的重點方向。

（二）飛輪儲能技術

飛輪儲能技術也是當前比較熱門的幾點能量能量轉換研究方向。通過將能量轉換為飛輪的機械能進行存儲。由于技術的發展，新材料的出現給飛輪儲能技術帶來了更為廣闊的研究空間。通過對干強度碳纖維復合材料和電力電子技術、磁懸浮技術的運用，使飛輪裝置的儲能性能更加強大[1]。在飛輪儲能裝置中，通過將飛輪與同步電機相連，通過調整飛輪的轉速來達到充電和放電的目的。在充電過程中，電機帶動飛輪轉動，將電能轉換為機械能儲存在飛輪裝置中，在放電時，通過飛輪的旋轉帶動電機轉動，將機械能準華為電能釋放出來。所以在飛輪儲能技術中，飛輪的軸承材料性能直接影響飛輪的使用壽命和電能轉化效率。目前我國飛輪儲能技術應用的是磁懸浮技術，可以有效減少軸承的摩擦，降低能量損失。但是和鋰電池技術相比，飛輪裝置占用空間大，所以只能用于地面儲能，無法進行車載。而且飛輪在儲能過車中具有非常巨大的機械能，對車輛運行的安全產生影響。

（三）超級電容器儲能技術

超級電容器儲能技術一種新的儲能技術，結余電池和傳統電容之間，通過雙電層和氧化還原電容電荷進行能連的存儲。但是在儲能過程中并并存在化學反應，而是通過極化電解質實現能量轉換。超級電容具有很好的使用性能，首先使用壽命長，能夠一定程度節約成本。超級電容的工作原理是：在電容兩極通電后，電容溶液中的陰陽離子分別移動到電容的正負兩極，從而在電容的表面形成雙電層。切斷供電后，電容電極上的正負電荷與溶液中的電荷離子相互吸引形成了穩定的雙電層。在這個狀態時，就完成了能量的存儲，如果將電容接入電路，電極上的電荷就會移動從而產生電流，完成放電過程中，指導電荷回到正常狀態[2]。

二、城市軌道交通車輛儲能的技術比較

通過對三種儲能技術的比較，飛輪儲能技術在能量密度和功率方面表現的非常好，而且使用過程中循環壽命相對較長。但是飛輪儲能技術有著一個非常致命的缺點，就是在使用過程中安全性能得不到保障，飛輪儲能裝置在能量儲存狀態中，會變得非常不穩定，一旦發生故障，巨大的機械能就會引發爆炸，從而出現安全事故，所以這一儲能方式不能安裝在車輛中[3]。雖然隨著技術的進步，應用了性能更好的材料，并且采用磁懸浮和真空技術進行安全保護，但是依然無法保證其運行的絕對安全。而且飛輪裝置的工作原理導致其體積大、重量高，所以無法搭載到車輛上，目前應用并不是很廣泛。

飛輪儲能技術因為其安全性，不做比較。針對鋰電池儲能技術和超級電容技術進行對比。超級電容的壽命要比鋰電池具有更長的使用壽命，大約是鋰電池的一千倍左右。而且功率超過鋰電池，大約是鋰電池的十倍左右。而鋰電池的優點為，在相同的儲能情況下，鋰電池具有更小的體積，鋰電池的儲能密度大約是超級電容的十五倍[4]。所以對于安裝空間有要求的情況下，鋰電池更加適合投入使用。在自放電方面，鋰電池性能也要高于超級電容。鋰電池的成本和超級電容相差無幾，基本可以不做比較。再最快放電速度方面，超級電容具有非常明顯的優勢。超級電容能在幾毫秒到幾秒之間完成放電，而鋰電池放電需要數十秒到數小時之間。由于城市軌道交通的特點，列車?？康臅r間通常為45秒左右，所以超級電容具有更大的優勢。

通過對比我們會發現，在實際的應用上，鋰電池和超級電容都更具優勢，而且二者在優勢上有著非常明顯的互補性。所以，在實際的使用過程中，完全可以將超級電容和鋰電池進行組合使用，通過這種儲能機制可以充分利用二者的優點，超級電容放電快，可以在為列車啟動時提供巨大的電流，而鋰電池儲能能力強，可以將大量的能量儲存起來，方式能量過載導致浪費。而處于安全性的考慮，飛輪技術很少應用在具體的實踐中[5]。表3為三種電容優缺點的對比情況：

結束語

綜上所述，在城市軌道交通儲能技術中，鋰電池和超級電容器的組合模式是最佳的方案。通過二者的組合能夠形成更加穩定和高效的儲能放電裝置，為城市軌道交通制動能量的收集儲存和釋放提供更好的使用效果。而且能夠實現車載儲能。

參考文獻

[1]胡志強，游譚.城市軌道交通車輛儲能技術研究[J].科學技術創新，2019（6）.

[2]李志慧.城市軌道交通牽引供電系統再生能量吸收技術的發展與選擇[J].城市軌道交通研究，2018（6）.

[3]曹成琦，王欣，秦斌，etal.基于車載超級電容儲能系統在城市軌道交通的應用研究[J].電工電氣，2017（1）：9-12.

[4]劉紅兵.基于CAN現場總線城市軌道交通超級電容儲能控制系統的研究[J].電子測試，2019（4）：84-85.

[5]黃科元，鐘樹人，張其松，etal.最優能量分配策略在城市軌道交通中的應用[J].電力電子技術，2019（8）.