基于超级电容的城轨列车复合储能控制策略研究

基于超级电容的城轨列车复合储能控制策略研究

王晓侃 王琼 李博 田金鑫

（河南机电职业学院，新郑，451191）

摘要：随着城市化进程的加快，城市轨道交通作为缓解城市交通压力、提高出行效率的重要手段，其节能性和可靠性日益受到关注，传统城轨列车主要依靠接触网供电，但在制动能量回收、电网波动响应和节能减排方面存在局限性，提出了一种基于超级电容的城轨列车复合储能控制策略，旨在通过高效利用超级电容器的高功率密度特性，结合电池储能系统，实现能量的快速吸收和释放，优化列车能量管理，提高系统的整体能效和运行稳定性。

关键词：超级电容；城轨列车；复合储能控制；存在问题；策略研究

项目基金：河南省重点研发与推广专项项目（222102210024；202102210269）；河南省高校重点科研项目（22A460013；22B413004）

引言

城轨列车在运行过程中频繁制动，产生大量可回收的制动能量，但在现有的技术条件下，这部分能量大部分以热能的形式流失，不仅浪费资源，还加剧了城市热岛效应，超级电容因其高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力，成为提高城轨列车能量回收效率的理想选择。本文重点设计了一种复合储能系统及其控制策略，该系统以超级电容器为核心，结合电池储能，实现能量的高效利用和均衡管理。

一、超级电容和复合储能系统综述

1.1超级电容

超级电容作为现代储能技术的一颗璀璨明珠，其独特的性能在于融合了传统电容器和电池的优势，与传统电容器不同的是，超级电容器的电极材料经过了特殊设计，使其电荷储存能力得到了质的飞跃，可储存的电荷量远远超过传统电容，接近电池的水平，其工作原理主要基于双电层理论或伪电容效应。当电场作用于电解液和电极的界面时，会吸引电解液中的正负离子，在电极表面形成致密的电荷层。这个过程几乎不涉及化学反应，所以可以达到超快的充放电速度。超级电容的突出特点是功率密度高，这意味着它可以在极短的时间内提供或吸收大量的能量，非常适合应对城轨列车制动和加速时产生的脉冲能量需求。[1]此外，超级电容器还具有循环寿命长、内阻低、工作温度范围宽等优点，使其在需要频繁充放电和高效能量转换的场合显示出巨大的应用潜力。

1.2复合储能系统

复合储能系统，顾名思义，是指结合多种储能技术的系统，旨在通过优势互补实现能量的高效利用和灵活管理，在城轨列车的应用场景中，复合储能系统通常由超级电容器、电池储能单元、双向DC/DC变换器和能量管理系统组成。超级电容作为系统的核心部件之一，主要负责对列车制动过程中产生的高能脉冲进行处理，快速吸收并储存，当列车需要加速或应对电网波动时，超级电容器可以快速释放能量，为列车提供强大的电力支持。电池储能单元作为系统的能量缓冲和长期储能设备，负责在列车非制动期间补充能量，并在超级电容不能满足能量需求时提供辅助支持。双向DC/DC变换器在复合储能系统中起着能量转换和分配的作用，可以根据系统的实时状态和需求，动态调整超级电容器和电池之间的电压匹配和能量流动，保证能量在不同储能元件之间的高效传输和利用，能量管理系统(EMS)是整个系统的“大脑”，负责实时监控系统的运行状态，分析数据，预测未来趋势，并据此优化控制策略，使系统能效最大化。

二、影响超级电容和复合储能系统性能的多维因素

2.1超级电容内在特性

在超级电容的构建中，电极材料的选择是技术突破的关键，不同材料具有独特的物理化学性质，如碳材料的高导电性和稳定性、金属氧化物的赝电容效应等，直接决定了电容器的储能机理和性能上限。为了进一步提高性能，研究人员不断探索新材料的合成路径，如通过纳米技术控制材料的微观结构，增加比表面积，优化孔隙分布，以实现更高的电荷存储效率和更快的离子传输速度。电解质作为离子传输的载体，其性能对超级电容器的整体性能有着深远的影响，电解液的离子浓度、溶剂的种类、添加剂的配方都会影响电容器的电压窗口、内阻和循环稳定性。因此，电解液的优化不仅涉及化学成分的调整，还涉及电解液结构的改进，如采用离子液体或固体电解质等新体系，以克服传统电解液在安全性和温度适应性方面的局限性。[2]此外，超级电容的性能还受到其内部结构设计的影响，合理的电极布局、电解液浸润方式和集流体设计可以有效提高电容器的能量密度和功率密度。例如，通过三维电极结构的设计增加电极与电解液的接触面积，使用高电导率集流体降低内阻，都是提高超级电容器性能的有效途径。

2.2复合储能系统集成的复杂性

在复合储能系统中，超级电容器与其他储能元件(如电池)的集成方式直接关系到系统的整体性能，不同的集成策略会影响系统的能量管理效率、成本效益和维护难度，例如，并联集成可以充分利用超级电容器的高功率特性来平衡电池的低功率输出，但可能会增加系统的复杂性和成本，但串联集成模式可能会导致系统整体性能受限于某个部件的短板。作为复合储能系统中的关键部件，双向DC/DC变换器的性能直接影响系统的能量转换效率和动态响应速度，变换器的设计需要综合考虑电压电平、功率电平、变换效率和控制策略。为了实现高效可靠的能量转换，研究人员不断探索新的变换器拓扑结构，优化控制算法，提高开关器件的性能。复合储能系统的性能还受到外部环境因素的影响，温度、湿度和振动等环境因素可能会对系统中的组件产生不利影响，从而影响系统的整体性能。因此，在系统设计和使用过程中，必须充分考虑这些外部因素，并采取相应的保护措施，以保证系统的稳定运行，比如在高温环境下采取散热措施，在潮湿环境下加强密封，都是有效的防护措施。

三、基于超级电容的城轨列车复合储能控制面临的挑战和深层次问题

3.1技术瓶颈和性能限制

超级电容能量密度的不足是其技术瓶颈的显著表现，虽然电极材料的比表面积和电荷储存能力已经借助纳米技术和复合材料得到了显著提高，但与电池相比，其储能能力仍然不足，这一差距限制了超级电容器在电动汽车、智能电网等需要大规模储能的领域的广泛应用。此外，超级电容器的循环寿命和自放电率也是影响其性能的重要因素，如何在保证高功率输出的同时，延长循环寿命，降低自放电率，是超级电容器技术发展需要解决的关键问题。复合储能系统的技术集成也面临许多挑战，不同储能元件之间的性能差异和工作特性的不匹配，使得系统的整体性能难以达到最佳。为了实现储能部件之间的协同工作，需要开发先进的能量管理算法和控制策略，实现系统能量的精确调度和优化分配，然而，这些算法和策略的开发不仅技术难度大，而且需要大量的R&D资源和时间。此外，复合储能系统的复杂性也增加了系统维护的难度和成本，如何保证系统长期稳定运行是复合储能系统发展中需要解决的重要问题。

3.2考虑成本和经济效益不全

超级电容与复合储能系统的成本不仅仅体现在材料、制造、研发上，还涉及到整个产业链的成本控制，为了降低系统成本，需要从多方面入手，包括优化生产工艺、提高生产效率、降低原材料成本等，然而，这些措施的实施往往需要大量的资金投入和技术支持，这对于中小企业来说可能是难以承受的。此外，超级电容和复合储能系统的经济效益还受到市场需求、政策环境等因素的影响，随着全球能源转型的加速和可再生能源的快速发展，超级电容和复合储能系统的市场需求日益增加，但由于其成本较高，市场竞争力相对较弱。为了提高经济效益，政府需要出台相关的政策支持，如税收优惠和补贴政策，以降低用户的投资成本，提高系统的经济效益。

3.3环境适应性和可持续性的审视不高

超级电容和复合储能系统的环境适应性不仅关系到系统的稳定运行，而且影响其使用寿命和安全性，为了提高系统的环境适应性，需要采用先进的封装技术和材料来提高系统的防水、防尘和防腐能力，同时，该系统需要经过严格的测试和验证，以确保其能够在各种恶劣环境下稳定可靠地工作。在可持续性方面，超级电容和复合储能系统的发展需要注意资源的循环利用和环境保护，在材料选择和生产过程中，应优先考虑可再生资源和环保材料，以减少对环境的影响。[3]同时，系统退役后，要建立完善的回收处理机制，实现资源的循环利用，减少废弃物的排放，此外，要加强技术研究和创新，推动超级电容器和复合储能系统向更加环保和可持续的方向发展。

四、基于超级电容的城轨列车复合储能控制策略

4.1全方位推动技术创新

在超级电容和复合储能系统的技术创新领域，需要采取全方位、多层次的策略来推动技术创新，要加大基础科学研究的投入，特别是在材料科学、电化学、纳米技术等领域，探索和开发新的高性能材料，这些材料应该具有更高的能量密度、更好的循环稳定性和更低的自放电率，从而显著提高超级电容的性能。同时鼓励跨学科合作，整合物理、化学、材料科学、计算机科学等多个领域的知识，共同攻克技术难题。比如通过计算机模拟和大数据分析，优化电极结构设计，提高电荷转移效率；利用人工智能算法，开发出更智能的能量管理策略，实现储能系统的自适应调节和优化运行。此外，还要注重制造技术的创新，采用先进的生产设备和技术手段，提高生产效率和产品质量，降低生产成本，同时，加强知识产权保护，鼓励技术创新成果转化应用，形成良性循环的技术创新生态系统。

4.2构建高效协同的产业体系

为了优化超级电容和复合储能系统的产业链布局，降低生产成本，我们需要构建一个高效协同的产业体系，加强产业链上下游之间的沟通与合作，形成紧密的供应链关系，上游原料供应商应确保原料的稳定供应和质量控制，中游厂商要提高生产效率和技术水平，降低生产成本，下游终端用户应提供市场需求和反馈，以促进产品的持续改进和优化。同时，促进产业链的标准化和模块化发展，制定统一的技术标准和规范，提高产品的通用性和可替代性，推广模块化设计和生产方式的应用，降低系统集成的难度和成本，这不仅可以提高生产效率和产品质量，还可以缩短上市时间，快速响应市场需求的变化。此外，加强与国际市场的合作与交流也是降低成本的重要途径，通过引进国外先进技术和管理经验，提高我国超级电容器和复合储能系统的国际竞争力，同时，积极开拓国际市场，扩大出口规模，实现规模经济。

4.3营造全方位的市场生态和政策环境

创造良好的政策环境，需要采取一系列综合措施，加强市场调研和需求分析，了解储能系统在不同领域的需求特点和变化趋势，根据市场需求调整产品结构和市场策略，积极开拓新的应用领域和细分市场。同时，加强与政府部门的沟通合作，争取更多的政策支持和资金支持，政府可以出台税收优惠、补贴政策等激励措施，降低用户的投资成本，加强行业标准和监管体系建设，规范市场秩序和产品质量，推进示范工程和试点工程建设，为储能系统应用提供实践经验和示范效应。此外，加强行业协会和组织的建设和发展也是重要的市场拓展手段，通过行业协会的组织协调作用，加强行业内企业之间的交流和合作，推动行业自律和诚信体系建设，开展行业宣传和推广活动，提高公众对储能系统的认知度和接受度。

4.4积极探索绿色储能的未来之路

必须高度重视可持续发展和环境保护战略，以确保技术的长期生命力和社会责任，应该致力于开发环保材料和制造工艺，以减少生产过程中的资源消耗和环境污染，比如用可回收、可降解的材料替代传统材料，优化生产工艺，减少废水、废气、固体废弃物的排放。推动储能系统的绿色应用，鼓励其在可再生能源接入、节能减排、环境保护等领域发挥更大作用，超级电容和复合储能系统能够快速响应电网需求变化，平衡电力供需，提高可再生能源利用率和电网稳定性，同时，它们还可以作为紧急备用电源，以确保在自然灾害或紧急情况下关键设施的正常运行。[4]此外，加强公众教育和宣传也是实现可持续发展和环境保护目标的重要一环，通过举办科普讲座、展览、研讨会等活动，提高公众对储能技术的认识和理解，增强环保意识，同时，鼓励社会各界参与储能技术的研发和应用，形成全社会共同推进绿色储能发展的良好氛围。

4.5建立全球储能技术生态系统

在全球能源转型和可持续发展的背景下，超级电容和复合储能系统的国际合作和标准化尤为重要，加强与国际组织和跨国公司的合作，共同推进储能技术的研发和应用，通过技术成果共享、经验交流、合作开发，提高全球储能技术整体水平。推动储能技术的国际标准化进程，积极参与国际标准的制定和修订，推动建立统一的技术标准和规范体系，这将有助于减少国际贸易壁垒，促进全球储能市场的健康发展，也有助于提高我国储能技术的国际竞争力和影响力。此外，加强与国际金融机构和投资机构的合作也是促进国际合作和标准化战略的重要途径，通过引入国际资本和技术支持，为储能技术的研发和应用提供更多的资金和资源，也有助于推动储能技术的商业化和市场化，实现更广泛的应用和更高的经济效益。

五、结语：

综上，超级电容属于当代较为先进的一类储能元件，优势较为显著，将其应用于城轨列车的复合储能系统当中，其可起到保护电池、提升电池利用率的作用，还可有效收集城轨列车运行过程中产生的能量，并延长电池的使用寿命，整体上来看具有较高的应用价值，并可起到推动城轨列车产业发展的作用。

参考文献：

[1]许德州. 基于Soft Actor-Critic算法的电动汽车复合储能系统能量管理策略研究[D].中国矿业大学,2022.

[2]胡自豪. 新能源汽车功率型辅助储能装置对整车经济性影响分析[D].山东理工大学,2022.

[3]孙阔,张雪菲,迟福建,李桂鑫,罗涛,张梁.光伏电站复合储能电压波动抑制双层优化控制方法[J].可再生能源,2022,40(03):402-409.

[4]张振. 微网内复合储能系统的DC/DC变换器设计与协调控制研究[D].兰州交通大学,2021.