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1、超级电容在城市轨道交通系统中的应用近年来，为了充分利用城帀轨道交通车俩（特别是轻轨和有轨电午）的制动能量，提出了多种能最管理设备，如飞轮、逆变器、超级电容等。下面就超级电容在城市轨道交通中的应用，进行初步分析和探讨。1应用背景随着城市人口的膨胀，城市轨道交通显得越來越重要。我们在建设城市轨道交通时，必须考虑经济与环境的和谐发展。从经济角度看，城市轨道交通系统的能耗最引人关注，能耗费用占了运营费用的相当大的部分。怎样有效利用能源、减少能耗,是摆在我们而前的一个重要课题。调查显示，在城市轨道车辆的能耗中，牵引能耗占了90%,车辆辅助设备能耗占10%。如果采取适当的措施，如合理安排车辆运行、使
2、用超级电容等能量管理设备，电能消耗量的40%就可以在车辆制动时反馈回供电系统，以供给正在加速的车辆使用，如图1所示。訪能——电陡梢"MM沖m90%隼引电疑g辅#;供电图1城市轨道车辆的制动能耗比例此外，由于列车启动和制动会引起电压的波动，若釆用合适的能量管理设备,就可以减小电网电压的波动，从而提高供电质量。2工作原理及技术特点2.1工作原理超级电容器也屈丁•双电层电容器,是世界上已投入量产的双电层电容器屮容量最大的一种，其基本原理和其他种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超人的容量。在传统物理电容屮，储存的电能來源于电荷在两块极板上的分离，极板Z间为
3、真空(相对介电常数为1)或被一层介电物质(相对介电常数为£)隔离，电容值为XIO'6(UF)(1)3・6血'式中,A为极板面积,d为介质厚度;所储存的能量为E=1/2C(AV)2,其中C为电容值，AV为极板间的电压降。可见，若想获得较人的电容量，储存更多的能量,必须增人面积A或减少介质厚度do在双电层电容器中，采用活性炭材料制成多孔电极，同吋在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液。当在两端施加电压时，相对•的多孔电极上分别聚集正负电子，而山于电场作用，电解质溶液屮的正负离了将分别聚集到与正负极板相对的界而上，从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联，如图2所示。图2超级电容的技术原理山于活
4、性碳材料具有大于等于1200m2/g的超高比表而积(即获得了极大的电极而积A),而且电解液与多孔电极
5、'可的界面距离不到lnm(即获得了极小的介质厚度d),从式⑴可以看出，这种双电层电容器比传统物理电容器的容值要大很多，比容量町以提高100倍以上,从而使利用电容器进行人电赧的储能成为可能。2.2技术特点(1)纳米碳电极表面积可以做得很大(3000m2/g),而且很轻；(2)两电极间的距离很小，达1nm;(3)电解质的分解电压:有机电解质为2.5~3V,无机电解质为0.7~1V;(4)能罐密度相对小(5~12W・h/kg),但功率密度人(达10kW/kg),且充电速度快；(5)充放电是纯物
6、理过程离子在电解质屮的移动；(6)内阻非常小，便于实现高功率充放电；(7)充放电效率高，工作温度范围宽，环境适应性较强。3工作模式在城市轨道系统中采用的超级电容主要有两种工作模式:一种是作为能量储存器，它吸收了车辆制动过程中产生的能量，直到后面有车辆处于加速状态吋才将能量释放到供电系统屮;-•种是作为稳压器，它总是保持在高容量的状态，当供电系统的电压低于规定值时才开始放电。超级电容系统可以自动地转换这两种运行模式，以便完全适应变化的运行要求。3.1能量储存模式如果没有能量储存系统(如超级电容)，如果同一时间内没有任何其他车辆处于加速状态，则制动车辆产住的能量就会通过放热方式消耗在制动电阻
7、上面。然而，在实际运营屮,这些同步的加速和制动并不能完全协调，也就是说，当一列车制动时,不可能总是在同一供电区段内有另外的列车在牵引，因此总是有部分能量以热量的方式消耗掉。但采用超级电容,可以在制动的过程屮把能量储存下來,当有车辆加速的时候再释放出去,这就减少了供电所中能量的耗费。图3是2001年在徳国科隆做的一次测试，从屮可以看出：在tl时刻,供电段3处有一列车在加速（13为正），超级电容处于放电状态（WSES减小，ISES为负）;在t2时刻,供电段2处有一列车在制动（12为负），超级电容处于充电状态（WSES增大，1SES为正）；在t3时刻，供电段1处冇一列车在制动（II为负），超级
8、电容处于充电状态（WSES增大,ISES为正）；在t4时刻,供电段1处的列车仍在制动，供电段4处的一列车在加速，超级电容立刻从充电状态转成放电状态（WSES减小，ISES为负）o岸电H电4(
9、V»・AImojiowl!lit电电£f*4—I^00■、（MM卜1網讼一■■巧f-烬咆代电4/AnJ■tlWlW■w・.7IMIfAf0图3超级电容储能模式的动态控制响应3.2电压稳定模式如果没有能竝储存系统（如超级电容），当有很多车辆在同一
