發(fā)布時間：2022-03-22所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 超級電容具備功率密度高(2～15 kW/kg)，循環(huán)壽命長(10 萬～100 萬次)，使用溫度范圍寬(40～+70 ) ℃ 和能量轉(zhuǎn)換效率高(90%)等特點(diǎn)，在軌道交通領(lǐng)域可作為儲能式有軌電車供電電源、再生制動能量地面儲能系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)輔助啟動裝置。介紹超級電容儲能基本原理，系
摘 要: 超級電容具備功率密度高(2～15 kW/kg)，循環(huán)壽命長(10 萬～100 萬次)，使用溫度范圍寬(–40～+70 ) ℃ 和能量轉(zhuǎn)換效率高(≥90%)等特點(diǎn)，在軌道交通領(lǐng)域可作為儲能式有軌電車供電電源、再生制動能量地面儲能系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)輔助啟動裝置。介紹超級電容儲能基本原理，系統(tǒng)說明單體制備工藝以及模組組態(tài)方式，總結(jié)比較國內(nèi)外主要廠家的技術(shù)特點(diǎn)，中國雙電層超級電容已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全球單體最大容量 12 000 F 批量生產(chǎn)，技術(shù)處于行業(yè)領(lǐng)先水平。針對影響超級電容儲能裝置使用壽命和安全的因素進(jìn)行分析，并對軌道交通用超級電容系統(tǒng)未來研發(fā)方向進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞: 軌道交通;超級電容;有軌電車;儲能
超級電容是 20 世紀(jì)七、八十年代問世的一種新型儲能器件，相比電池具有功率密度高、使用溫度范圍寬、循環(huán)壽命長和綠色安全等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，引發(fā)各行業(yè)關(guān)注[1]。北京地鐵 5 號線最早采用超級電容作為地面式再生制動能量吸收裝置。2012 年，中車株洲電力機(jī)車有限公司(株機(jī)公司)研發(fā)的以超級電容作為車輛主動力源的儲能式輕軌車輛下線，并于 2014 年實(shí)現(xiàn)超級電容儲能式有軌電車在廣州海珠線的商業(yè)化運(yùn)營，起到很好的示范作用，極大地推動了中國超級電容材料、模組和儲能系統(tǒng)的全面研發(fā)。
目前，超級電容的研發(fā)廠家逐漸增多，且技術(shù)進(jìn)步迅速，性價比逐漸提高。在中國提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)時間的背景下，節(jié)能產(chǎn)品迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。軌道交通作為能耗大戶需要用節(jié)能產(chǎn)品，考慮到軌道交通對產(chǎn)品壽命、安全性等多方面的要求，可以預(yù)見未來超級電容在軌道交通領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用空間[2-4]。本文介紹了超級電容在軌道交通領(lǐng)域中的多場景應(yīng)用實(shí)例，闡述了超級電容儲能基本原理，系統(tǒng)說明了單體制備工藝以及模組組態(tài)方式，總結(jié)比較主要廠家的技術(shù)特點(diǎn)。針對影響超級電容儲能裝置使用壽命和安全的因素進(jìn)行了分析，并對軌道交通用超級電容系統(tǒng)未來研發(fā)方向進(jìn)行了展望。
目前，超級電容在軌道交通中的應(yīng)用主要有儲能式有軌電車、列車再生制動能量地面儲能系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)輔助啟動、景區(qū)游覽列車、混合動力動車組以及間歇式供電系統(tǒng)幾方面，其具體應(yīng)用情況見表 1。
1 超級電容的基本原理
根據(jù)儲能機(jī)理的不同，可將超級電容器劃分為雙電層電容器(EDLC)、贗電容器(又稱準(zhǔn)電容器)、混合電容器(又稱電池電容)3 大類，性能對比見表 2。
1.1 EDLC 原理
雙電層電容器主要基于碳/電解液界面的雙電層儲能，為物理過程，以其更優(yōu)的功率性能、循環(huán)壽命、安全性在城市軌道交通上應(yīng)用最廣。工作原理如圖 4 所示，充電時，電解質(zhì)表面的電荷在一定的電壓下被雙電層電荷產(chǎn)生的電場拉到靠近它且極性相反的電極上，這樣兩極板上就形成了穩(wěn)定的雙電荷層;放電時，正、負(fù)電極上的電荷漂移在外電路形成電流。
同蓄電池類似，EDLC 單體內(nèi)部由正極、負(fù)極、電解液和防止兩極相互接觸的隔膜組成，結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。其中正、負(fù)極采用的是活性儲能材料，引出集流體為導(dǎo)電金屬箔;隔膜多采用多孔絕緣材料;單體內(nèi)部填充適量電解液，產(chǎn)品性能和生產(chǎn)工藝密切相關(guān)。
首先，電極作為核心部件，其能量密度直接關(guān)系到單體的能量密度，現(xiàn)在主要采用濕法和干法電極制備 2 種工藝，特性對比見表 3。組裝工藝有圓柱形和方形 2 種單體形式(見圖 6)，圓柱形單體采用錯位卷繞方式制備電芯;方形單體正負(fù)極片與隔膜按照 Z 型方式進(jìn)行疊片，兩種單體的具體工藝流程如圖 7 所示，然后干燥除去電芯內(nèi)部水分，注入電解液密封。
1.2 新型超級電容器
贗電容器的正、負(fù)極都是儲能電極，儲能以金屬氧化物電極的氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)。在相同電極面積的情況下，贗電容是 EDLC 電容量的 10～100 倍。贗電容電極材料主要是金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，由于貴金屬資源稀缺、價格高且污染環(huán)境，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前景受到限制。
近年來，為了進(jìn)一步提高超級電容器的能量密度并降低成本，開發(fā)出了混合電容器，它是依靠兩個不同電極(分別為電池電極材料、雙電層電容器電極材料)，或者電池電極材料和雙電層電容器電極材料組成復(fù)合電極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)儲能的器件。美國、日本和俄羅斯都投入了大量資金研制開發(fā)混合電容器。在中國，混合電容器也在迅速發(fā)展，市場前景廣闊。目前研究中的部分體系有活性炭(AC)/PbO2、AC/NiOOH(FeOOH)、 AC/Li4Ti5O12等。上海奧威等企業(yè)已將 AC/NiOOH 混合電容器批量生產(chǎn)并應(yīng)用到電動公交車和太陽能電池領(lǐng)域。
1.3 國內(nèi)外主要廠家及產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)
超級電容器自誕生以來，以其功率密度高、循環(huán)壽命長和充放電速度快的優(yōu)良特性得到飛速發(fā)展。目前中國主要廠家有寧波中車新能源、深圳今朝、上海奧威、天津力神、北京合眾匯能和錦州凱美能源等，國外主要廠家有美國的 Maxwell、Ioxus 公司，韓國的 Nesscap、LS Mtron 公司，日本的 NCC 公司。表 4 列出了這些廠家生產(chǎn)超級電容的技術(shù)特點(diǎn)及現(xiàn)狀。
近年來，不管從制造規(guī)模還是技術(shù)水平上，中國超級電容的水平已超越國外廠商。中國在超級電容短時大功率、高能量密度應(yīng)用以及超級電容儲能式有軌電車的應(yīng)用技術(shù)方面走在了世界前列，并具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。
中國已經(jīng)上線運(yùn)營的儲能式有軌電車已經(jīng)全部接近國產(chǎn)化，配置超級電容的調(diào)車機(jī)遠(yuǎn)銷德國，采用超級電容儲能混合動力動車組遠(yuǎn)銷馬來西亞等國家。在技術(shù)指標(biāo)上，中國雙電層超級電容已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球單體最大容量 12 000 F 研制，其功率密度達(dá)到 19.01 kW/kg，能量密度達(dá)到 11.65 Wh/kg。
2 模組和系統(tǒng)技術(shù)
在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于單個超級電容電壓值低 (2.7～3.0 V)，需將單體進(jìn)行串并聯(lián)重組形成模組，然后根據(jù)實(shí)際工程對電壓、輸出功率和儲能量的需求，將模組進(jìn)行串并聯(lián)重組構(gòu)成儲能系統(tǒng)。常見的組態(tài)方式有 4 種：串聯(lián)型、并聯(lián)型、先串后并型和先并后串型。常采用螺紋、焊接等方式實(shí)現(xiàn)可靠連接。串聯(lián)組態(tài)是提升系統(tǒng)輸出電壓的最直接方式，并聯(lián)組態(tài)能夠改善電容量不足或功率不足的情況，2 種方式下模組電容量計(jì)算公式如式(1)、(2)所示。
為保證超級電容儲能系統(tǒng)工作可靠性，需對電壓、溫度以及整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。圖 8 所示為寧波中車新能源生產(chǎn)的 16 V/2 000 F 模組，均衡電路板安裝在模組正面，可以監(jiān)控每個并聯(lián)節(jié)電壓和模組溫度等信息，并將這些信息通過 CAN 總線上報至主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并下發(fā)相應(yīng)的動作指令。同時該均衡電路板具有單體電壓均衡功能，可以有效控制單體間壓差在 20 mV 以內(nèi)，提高單體容量利用率，延長產(chǎn)品使用壽命。
3 產(chǎn)品的安全和壽命分析
城市軌道交通具有運(yùn)量大、時效高等優(yōu)點(diǎn)，是改善城市交通的有效途徑，屬于綠色環(huán)保交通體系。超級電容器作為主要動力源，其安全性和長壽命是應(yīng)用過程中重要的影響因素。表 1 列舉了采用超級電容作為儲能器件在軌道交通不同細(xì)分場景的應(yīng)用案例，至今為止，尚未發(fā)生過安全事故。超級電容儲能系統(tǒng)包括控制柜(部分)和儲能柜(部分)，下面將對超級電容的安全性進(jìn)行說明。
3.1 產(chǎn)品安全
超級電容器主要是基于碳/電解液界面的雙電層儲能，為物理過程，產(chǎn)品安全性很高。超級電容器可能發(fā)生的不安全問題主要有電解液泄漏、安全閥開啟等，主要是由內(nèi)部壓力過高、密封不良或單體過溫、過壓、過流甚至短路等因素導(dǎo)致。
QC/T 741—2014《車用超級電容器》標(biāo)準(zhǔn)是目前中國超級電容器強(qiáng)制檢測的標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容涵蓋容量、內(nèi)阻、大電流放電、電壓保持能力、高溫特性和低溫特性等性能測試，以及過放電、過充電、短路、跌落、加熱、擠壓、穿刺實(shí)驗(yàn)、溫度沖擊和耐振動性等安全測試。經(jīng)過檢驗(yàn)后的產(chǎn)品能夠保證乙腈體系的超級電容單體在正常條件下不會有乙腈泄露。寧波中車新能源對生產(chǎn)的超級電容器模擬外部因素導(dǎo)致的乙腈泄漏隱患進(jìn)行了各種試驗(yàn)驗(yàn)證。①外部異物侵入短路驗(yàn)證：采用長度 120 mm，直徑分別為 5 mm 和 8 mm 鋼針，對滿電狀態(tài)下的模組進(jìn)行針刺試驗(yàn)，結(jié)果表明，在第 3 次試驗(yàn)過程中由于鋼針和單體殼體瞬時穿刺產(chǎn)生的火花將泄漏的乙腈點(diǎn)燃，隨即在 1 s 后自行熄滅，未引起連鎖破壞性反應(yīng)，確信超級電容在任何工況下，不會產(chǎn)生自燃，如圖 9 所示。②外部火源燃燒試驗(yàn)驗(yàn)證：將滿電狀態(tài)下的模組布置于汽油中燃燒數(shù)分鐘后未發(fā)生起火爆炸等現(xiàn)象，繼續(xù)燃燒單體裂開。段然等[9]提出對超級電容失效，尤其是乙腈泄漏的危害和應(yīng)對措施。同時地鐵防火標(biāo)準(zhǔn)[10]明確了地鐵甲級防火標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也進(jìn)一步降低了外部環(huán)境導(dǎo)致的高溫問題。③部分客戶提出希望采用碳酸丙烯酯(PC)體系的超級電容，在各種條件包括燃燒情況下都不會產(chǎn)生有毒氣體。目前，日本超級電容產(chǎn)品均采用 PC 體系，中國超級電容廠家如寧波中車新能源等也可以生產(chǎn) PC 體系的超級電容。因此，超級電容器在軌道交通的應(yīng)用具有很高的安全性。圖 9 超級電容模組針刺驗(yàn)證 Figure 9 The needle punching test of supercapacitor module
3.2 產(chǎn)品壽命
基于雙電層吸附理論的超級電容器，電荷存儲過程中不涉及任何化學(xué)反應(yīng)，理論上具有無限次循環(huán)使用壽命。但是實(shí)際情況下，超級電容器受材料及使用環(huán)境的影響，使用壽命有一定程度的限制。雙電層電容器的實(shí)際使用壽命大于 10 萬次，在特定工作條件 (工作電壓控制在 1.5～2.5 V，工作溫度維持在 25℃～ 35℃之間)下甚至可以達(dá)到 100 萬次(即 10 年)。超級電容器的使用壽命受工作電壓、工作溫度、充放電倍率、控制策略、制造工藝和選用材料等因素的綜合影響。此外，超級電容器在實(shí)際使用過程中，是若干個通過串并聯(lián)組成超級電容器系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)的壽命受系統(tǒng)內(nèi)部溫度分布不均、充電過程電壓不均衡以及單體間電壓均衡管理等因素影響較大，儲能柜體的沖擊振動也會造成一定的影響。
張偉先等[12]通過廣州海珠線超級電容儲能式有軌電車電源(系統(tǒng)電壓范圍 DC 900～500 V)的實(shí)際工作參數(shù)、散熱結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模擬模型，并對儲能電源溫度分布場進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)測結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合。仿真計(jì)算中設(shè)定海珠線有軌電車每年運(yùn)行 360 d，每天正常運(yùn)行 8 h，計(jì)算出儲能電源壽命大約 28 800 h，滿足 10 年的使用壽命要求。石巖等[13] 研究周期性循環(huán)的溫度波動下城軌列車超級電容儲能系統(tǒng)的壽命，提出壽命預(yù)測模型在線預(yù)測車載超級電容壽命的目的，當(dāng)壽命急劇下降時，通過調(diào)整控制策略降低超級電容使用壓力，提高使用壽命。
4 軌道交通儲能系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢
4.1 高比能量儲能系統(tǒng)研發(fā)
隨著城市軌道交通線路的增加，提高超級電容儲能系統(tǒng)的比能量對于車載式和地面式儲能系統(tǒng)都是亟需解決的問題。從器件角度，為達(dá)到 20～30 Wh/kg 的目標(biāo)，大量科研人員對超級電容從以下 3 點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)：①電極選用具有更高容量的石墨烯材料或其他具有氧化還原性質(zhì)的材料;②電解液選用新型耐高壓或離子液體;③研發(fā)混合電容。
陳寬等[2]通過特殊工藝物理復(fù)合方式研制出石墨烯包覆活性炭的復(fù)合材料作為電極，當(dāng)石墨烯添加量為 2%時，超級電容密度提升 38.7%。薄拯等[14]將傳統(tǒng)有機(jī)溶劑碳酸丙烯酯和低凝固點(diǎn)溶劑甲酸甲酯混合制備出混合有機(jī)電解液，結(jié)果表明：超級電容能量密度最優(yōu)可達(dá)到 18.7 Wh/kg。兼具功率密度優(yōu)勢和能量密度優(yōu)勢的復(fù)合儲能體系-鋰離子電池電容逐漸成為近十年來的研發(fā)熱點(diǎn)。當(dāng)前的研究重點(diǎn)集中于碳負(fù)極的預(yù)嵌鋰技術(shù)、電極材料及體系匹配性能，日本的富士重工、中國的寧波中車新能源等企業(yè)都已開展了該技術(shù)的研發(fā)。
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從模組角度，在兼顧系統(tǒng)可操作性和維護(hù)性的同時，盡可能實(shí)現(xiàn)模組集成化設(shè)計(jì)，有利于減少模組附件(除單體以外的組件)重量占比，提高系統(tǒng)能量比。
從系統(tǒng)角度，采用鋁合金等材料可以有效降低柜體重量，從系統(tǒng)總體進(jìn)行綜合考慮，也能有效提升系統(tǒng)比能量，如利用車載廢排風(fēng)進(jìn)行儲能系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，可以減少儲能系統(tǒng)單獨(dú)配置冷卻系統(tǒng)，進(jìn)而有效降低系統(tǒng)重量。
4.2 高可靠均衡系統(tǒng)和控制策略研究
超級電容多應(yīng)用于高功率的場景，由于其比能量相比蓄電池或鋰電池低，因此在短時間(秒級)就會完成一次充放電循環(huán)，均衡系統(tǒng)的可靠性直接影響整個系統(tǒng)的可用性。對于超級電容儲能系統(tǒng)以下 4 點(diǎn)特別重要：①均衡系統(tǒng)必須確保所有模組或各電壓節(jié)點(diǎn)采樣的同步性，否則就可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤報壓差過大;②均衡系統(tǒng)的采樣頻次需更高，如果頻次過低就有可能造成系統(tǒng)過充或者過放;③均衡電路功率要求更高，當(dāng)系統(tǒng)中存在單體電壓過高或過低時，均衡系統(tǒng)需要在短時間內(nèi)完成系統(tǒng)均衡，確保系統(tǒng)及時可用;④均衡系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)全電壓范圍檢測，不用于鋰電池存在平臺電壓，超級電容可以最低放電至 0 V，如果均衡系統(tǒng)無法完成全電壓檢測，則會存在安全隱患。
對于投入的整個儲能系統(tǒng)，目前儲能系統(tǒng)控制策略主要有地面式控制策略和車載式控制策略。地面式儲能控制策略主要參考母線電壓、供電系統(tǒng)狀況進(jìn)行控制;車載式儲能控制策略主要參考機(jī)車的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。趙亞杰[15]提出基于動態(tài)閾值的地面式超級電容儲能系統(tǒng)控制策略，研究受電弓處電壓對列車回收制動能量的影響，仿真加實(shí)車測試證明了該策略的有效性。車載式儲能控制策略研發(fā)方向主要是根據(jù)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)決定超級電容的充放電，從而控制電網(wǎng)能量的流出、流入，平滑電壓波動，提高機(jī)車穩(wěn)定性。
4.3 高效熱管理系統(tǒng)的研制
超級電容在使用的過程中，所處環(huán)境溫度的一致性對產(chǎn)品壽命也有直接影響，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況統(tǒng)計(jì)，溫度每升高 10℃，其產(chǎn)品的壽命會降低一半。超級電容由于能夠適應(yīng)–40℃環(huán)境下工作，因此超級電容的熱管理重點(diǎn)是考慮散熱問題。超級電容散熱有 3 種方式： ①風(fēng)冷，株機(jī)公司首創(chuàng)了以車輛空調(diào)廢排風(fēng)作為車載儲能電源的冷卻風(fēng)，從整車角度進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了能量的最優(yōu)利用;超級電容儲存型再生制動能量地面利用系統(tǒng)布置在設(shè)備室內(nèi)，室內(nèi)溫度 28℃，也是采用風(fēng)冷。 ②液冷，當(dāng)超級電容應(yīng)用在充放電頻繁且充放電功率又非常大的場景，則需考慮采用液冷方式進(jìn)行冷卻，如在大型商場的電梯能量回饋系統(tǒng)中則采用液冷方式來進(jìn)行散熱。③相變復(fù)合散熱，采用相變材料可以快速地吸收單體產(chǎn)生的熱量，在一定范圍內(nèi)起到溫度調(diào)節(jié)的作用。但當(dāng)產(chǎn)生的熱量過多時，相變材料無法再吸收全部熱量。此時，必須配合其他類型冷卻方式。
5 結(jié)論
中國城市軌道交通進(jìn)入快速、全面發(fā)展時期，為響應(yīng)國家綠色交通政策，超級電容儲能裝置憑借自身優(yōu)勢也將會廣泛應(yīng)用到軌道交通車載和地面儲能系統(tǒng)各場景中，其安全特性已經(jīng)獲得行業(yè)的認(rèn)可。
1) 未來超級電容單體研制趨勢是兼具高功率密度、高能量密度、長壽命，更好地適應(yīng)軌道交通需求。
2) 超級電容儲能系統(tǒng)發(fā)展方向主要是根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)高可靠均衡系統(tǒng)和控制策略，保證超級電容利用率最大化;設(shè)計(jì)高效熱管理系統(tǒng)延長超級電容使用年限。——論文作者：鄧誼柏1, 2，黃家堯1 ，陳 挺1 ，馮少玉1 ，李婷婷1 ，楊 穎3
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