城市轨道交通车辆储能技术研究

城市轨道交通车辆储能技术研究

李煊杰 陈明枝

中车广东轨道交通车辆有限公司 广东 江门 529000

摘要：探讨城市轨道交通车辆储能模式及储能技术，为城市轨道交通的稳定运行提供帮助。

关键词：城市轨道交通；车辆；储能技术

城市轨道交通是市内高效出行方式，为人们提供交通可达性便利。我国城市轨道交通在发展过程中车辆技术水平不断提升，车辆在运行过程中需要频繁制动，其中主要依靠储能技术保证运行质量。随着轨道交通的运行质量及速度改善，要求列车具有较大的储能能力。对此，本文探究城市轨道交通车辆储能技术，并明确适合新时期应用的储能技术，为城市轨道交通车辆的稳定运行提供帮助。

1.城市轨道交通车辆储能模式

城市轨道列车在储能结构上能分为储能交流器、储能媒介、直流电网、牵引变流器、牵引电视、齿轮箱、轮对。储能媒介利用储能变流器实现与电网的有效连接，国际上所采取的储能技术包括锂电池储能及飞轮储能等方式。储能设备的储能方法不同、安全性存在差异，在系统上又能规划为地面式及车载式。前者将设备在地面或者隧道中安装，主要思考能量在传递过程中的损耗及压降，重点关注储能设备场地设置问题。后者将设备安装在车辆，这种技术发展较为成熟，应用范围相对广泛。车载式储能系统会随着车辆运行，但会受到空间限制，该储能方式还需对设备体积及质量展开研究。

2.城市轨道交通车辆储能技术

2.1飞轮储能技术

飞轮储能技术通过机械储能完成机电转化过程。在近几年，碳纤维及电子技术、磁悬浮技术发展迅猛，飞轮储能技术在此背景下高速发展。在储能装置中结合变流器及直流电网完成连接工作，可连接转子及发动机等。在飞轮装置上能与轴承等连接，对飞轮的转动速度进行控制，完成放电流程。储能过程中，电能在变流器作用下启动电机，电机作用力带动飞轮，在运行时形成机械力，将机械力转化为电能，完成储能目标。放电过程中飞轮会带动电机运动，电动机在运动过程中完成机械能向电能的转化，为直流电网提供电力，飞轮的运输速度会不断下降，实现电力的释放。飞轮装置中，轴承性能关乎储存电能的质量，多数飞轮储能在以磁悬浮的方式呈现，从而降低电机损耗的摩擦力，避免电机自身发生损耗，完成飞轮装置的储能目标。飞轮储能技术应用在城市轨道交通中，结合地面模式，飞轮储能技术需具有完善的安装环境，车载式的储能模式限制性因素较多，无法有效使用。立足安全角度进行分析，飞轮储能设备无法在车辆安装，对车辆的稳定运行会产生不利影响。因此，飞轮储能设备只能采取地面式的安装模式。

2.2锂电池储能技术

该技术通过锂电池实现电能储存，在锂电池及相关物质的作用下将其作为正极，石墨等性质相关材料能作为负极，非水溶解后构建为液态电池形态，没有金属态的锂，能实现充电功能。锂电池自身储能密度较高，放电效率低，在充电及放电过程中具有稳定性，且锂电池的造价相对较低。国内外的学者在研究时，锂离子电池储能系统作为研究的热门技术，储能效率较高，具有较长的使用寿命，且具备较高的承受压力能力，重量轻，且不会对环境造成污染。锂电池在使用时会诱发一定的安全性问题，比如，爆炸问题。在应用过程中需做好线路保护工作，避免电池放电率过高。锂电池使用条件受到限制，高温条件下禁止使用，生产条件也具有一定要求，锂电池生产会消耗一定量的成本。

2.3超级电容器储能技术

该技术是一种电池及电容之间的特殊电源。超级电容器储能在化学反应下达成目标，在极化过程中实现能量储存，超级电容器利用氧化还原反应，实现快速放电，具有较长的使用寿命。超级电容器也能被作为双层电容器，在液态界面及离子界面、电子排列实现电荷反应。在实际的应用过程中，电容两极附加电场，溶液中的阴离子与阳离子分别过度到两侧，建立双电层，电场在消除后，正负离子的吸引反应发生，从而时间稳定双电层的构建，超级电容正负极及外界电流接通后，电路中会产生电流。溶液中的离子在发生移动后呈现中性。超级电容器储能技术使用寿命长，单体放电次数超过100万次，充电及分放电的时间短，整体的放电效果较为理想。离子电容器相比飞轮储能器价格更为低廉，控制过程相对简单，具有较强的应用可行性。

3.技术性能必选

飞轮储能技术在能量密度及功能方面效果优异，但使用寿命相对较短，该技术在城市轨道交通中的应用率较低，与风险性存在联系，比如，易发生爆炸事故，在过载的状态下，结合现代纤维复合材料提升旋翼功能，但无法改善破坏性，通过多种防护手段，也可能存在潜在风险。飞轮储能技术质量大，具有较高的自由放电率，上述因素成为阻碍其广泛应用的因素。超级电容储能技术与锂电池技术相比使用时间较长，其较为致密的功率，能实现长时间的电力传输。但锂电池能量密度在电容储存技术之上，约为超级电容储能技术的15倍，在安全安装具有严格要求的环境中应用率高。锂电池自放电率较差，只有0.1%-0.3%，明显低于超级电容储能技术的20%-40%。锂电池与超级电容的成本类似，但放电时间上超级电容优势明显，对城市轨道交通需求上看，锂电池能满足需求，这与列车进站及停靠时间存在联系。在实际的应用中，超级电容应用量最为广泛，车载式及地面式均有应用价值。在三种储能技术模式选择上，飞轮储能及锂电池储能依旧是研究热点，在解决对应的弊端后能进行广泛的应用。

结束语

在能量储存媒介选择过程中，思考尺寸及效率等多个方面因素，地面储能模式中，可选择超级电容储能技术或者飞轮储能技术，但由于飞轮储能技术存在弊端，因此，超级电容储能技术使用量较大。车载储存技术科选择超级电容储存技术及锂电池储能技术，但超级电容储能技术性价比较高，是一种理想的储能模式。在未来的研究中还需对锂电池储能技术及飞轮储能技术深入分析，从而更好的满足城市轨道交通的车辆储能需求。

参考文献

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