有轨电车储能系统技术改造

韩坤、都业林、房祥飞、张哲、张松

摘 要 为了提高有轨电车的可靠性、安全性，通过优化有轨电车整车设计方案，对原有超级电容进行技术改造，在原有安装空间范围内，更换为高能量密度超级电容。满足车辆在无线路供电情况下可以继续运行，确保车辆可以保持辅助系统负载正常工作，车辆可以牵引至下一站或行驶出断电区段。

关键词 城轨车辆 有轨电车 储能系统

1. 前言

现代有轨电车于20世纪90年代率先在法国发展起来，随着西欧国家成功建设运营，现代有轨电车以崭新的形象、舒适的服务，迅速吸引了国内城市的关注和研究。随着研究开发的深入，现代有轨电车无论在车辆选型、供电方式、环境保护等方面，都进行了彻底革新。现代有轨电车在车辆结构上取得了很大的突破，采用100%低地板结构、交流电传动的牵引系统、电控液压制动系统，铰接装置、独立轮、铰接转向架等新技术。

现代有轨电车在我国尚处于起步阶段，目前根据各城市规划需求，无接触网式100%低地板有轨电车将成为未来中国有轨电车的主要发展趋势。在国外一些城市的现代有轨电车、铰接转向架轻轨车辆的项目处于更新换代阶段，国内外市场前景广泛。

现代有轨电车对储能系统容量与性能要求进一步提高，储能系统的优化与开发成为有轨电车今后发展的重中之重，具有广阔的市场前景和研究价值。

2. 概述

为了提高有轨电车的可靠性、安全性，通过优化有轨电车整车设计方案，对原有超级电容进行技术改造，在原有安装空间范围内，更换为高能量密度超级电容。满足车辆在无线路供电情况下可以继续运行，确保车辆可以保持辅助系统负载正常工作，车辆可以牵引至下一站或行驶出断电区段。

3. 珠海1号线有轨电车介绍

珠海1号线有轨电车自主化车辆为现在有轨电车，由五节车体、三个转向架组成。

珠海1号线有轨电车自主化车辆辆编组形式为：

= CAMA + RA + P + RB + MBCB =

CAMA、MBCB：一端设司机室、有一动力转向架支撑，另一端为铰接支撑且有贯通道及车间减振器的车辆模块；

RA、RB：无转向架支撑，两端都为铰接支撑且有贯通道及车间减振器的车辆悬浮模块；

P：有一非动力转向架支撑，车顶设受电弓，两端均为铰接且有贯通道及车间减振器的车辆模块；

=：半自动（或全自动）可折叠车钩及缓冲装置；

+：铰接、贯通道及车间减振器。

列车主要参数如下所示：

列车总长： 32350mm；车辆高度： 3440mm

车辆宽度： 2879mm ；

架空网供电最高运行速度：70 km/h

非架空网供电最高运行速度：50 km/h

车重：45t（AW0 ） 61.8t（AW2 ） 65.758t（AW3 ）

4. 对超级电容的调研

为使珠海1号线有轨电车提高可靠性和安全性，需进行车辆原有超级电容改造。改造工作需利用珠海1 号线现有设备，采用最小的改动、花费最少的费用，在最短时间内，用最可行、最可靠的方案进行改造，早日实现可靠载客运营。针对珠海项目的特点，从景观、工程适应性、技术成熟度、设备供货周期、造价、改造周期等方面考虑，采用高能量超级电容车载储能供电更加符合珠海项目实际情况，具备改造可行性。因此针对珠海1号线有轨电车车辆改造进行了超级电容产品的调研工作。

1. 超级电容原理及分类

超级电容器是一种新型的高性能储能器件，是介于传统电容器和二次电池之间的电源，特别适合用于短时间高功率输出、快速充电、能量回收等场合。超级电容以其特有的性能优势非常适合用于轨道交通、电动公交车、港口机械、混合动力汽车、节能电梯、电力系统等领域，是21 世纪理想的环保储能器件之一。

超级电容分类及储能机理为：

1. 双电层电容：正负极都利用表面吸附电解液中的离子来储能；

2. 氧化还原电容（赝电容）：储能为正负极快速可逆的二维或三维电化学反应；

3. 混合型电容：一极为双电层储能或赝电容储能，另一极为静电储能或电化学储能。

超级电容作为储能器有着特殊的优势，其循环寿命长；比功率高；能快速充电；温度适用范围宽；荷电电量与开路电压成正比，SOC 容易判断、自放电容易判断，可以无损测试；能量回收效率高，适用于广泛的应用领域。

电容能量可以由以下公式计算得出：

 

上式中：

C-为电容负极储存的电荷量；

C+为电容正极储存的电荷量；

U2 为电容正常工作放电前电压；

U1 为电容正常工作放电后电压。

2. 珠海1号线有轨电车超级电容改造方案介绍

为了适应珠海1号线有轨电车超级电容改造工程，改造方案采用电容单体所经过串并联组成模组，22组模组串联组成超级电容单元。改造方案与原方案对比如下：

表1 珠海有1号线轨电车车辆超级电容改造方案

参数名称	参数值
标称容量	424F
模组串并联方式	该系统有22 组模组串联
工作电压区间内的有效存储能量	5.83kWh
工作电压区间	376.2V~501.6V
标准充电电流	200A
标准放电电流	≤200A
最大充电电流	300A（20S）
最大放电电流	300A（20S）
工作温度	-25℃~55℃（QC/T 741 标准测试） -15℃~55℃（140A 测试）

5. 无电区能耗计算

将能量密度较低的超级电容替换为能量密度较高的超能电容，实现有轨电车在地面供电系统故障的情况下较长距离的应急牵引功能。考虑线路情况对超能电容在特定供电区间运行过程中的充、放电能量进行理论计算。

1. 放电电量计算

珠海有1号线轨电车车辆配备两组超级电容，原储能系统有效储能为2×5.83=11.66Wh，其可为牵引传动、辅助电源系统提供的能量计算过程如下：

11.66×0.8×0.9×0.9=7.56kWh

其中：

电容使用8 年或100 万次后有效储能为设计储能的0.8 倍

超级电容放电效率90%

DC/DC 效率90%

2. 线路供电区间

将珠海1号线有轨电车全线线路供电区间分为6个供电区间进行模拟运行仿真。

3. 仿真计算结果

仿真计算结果见表2、3所示

表2右线模拟运行结果

供电区间	运行距离m	停站时间s	运行时间s	牵引 能耗kWh	辅助 能耗kWh	总能耗kWh
6	569	60.00	89.92	1.97	2.97	4.94
5	2480	210	357.26	6.11	11.25	17.36
4	1680	180	249.68	4.07	8.53	12.6
3	2370	240	347.6	5.66	11.64	17.32
2	818	60	113.78	1.58	3.45	5.03
1	465	30.00	63.69	0.69	1.86	2.54

表3左线模拟运行结果

供电区间	运行距离m	停站时间s	运行时间s	牵引 能耗kWh	辅助 能耗kWh	总能耗kWh
1	465	30	64.37	0.9	1.87	2.78
2	818	60	115.35	1.56	3.47	5.03
3	2370	240	351.71	6.58	11.74	18.33
4	1680	180	252.59	4.95	8.58	13.53
5	2480	210	351.59	4.62	11.14	15.77
6	569	60	83.59	1.58	2.85	4.43

4. 仿真计算模型

运行模式 尽可能快速运行

负载 AW2

编组形式 限速30km/h

路口停车 非专有路权路口停车30s

5. 仿真计算结果

1. 现有储能系统方案能够满足车辆以应急模式分别通过供电区1、2、6（右线），1、2、6（左线）。

2. 现有储能系统方案能够满足车辆以应急模式通过1.26km无电区（期间停车3次，每次30s）。

3. 因限速30km/h且牵引性能降低，列车应急牵引较正常运行模式每运行1公里额外耗时约30s。

6. 结论

对珠海1号线有轨电车储能系统进行技术改造，更换高能量密度的超级电容，可以一定程度使车辆在无线路供电情况下继续运行，行驶出断电区。

参考文献

1.CJ-T417-2012-低地板有轨电车通用技术条件

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