城市轨道交通储能技术发展研究

1、 储能技术发展研究城市轨道交通储能技术发展研究 学 院：电气学院 专 业：电气工程及其自动化（轨道交通方向） 班 级：BG1102 姓 名：顾凯 学 号：111001180218 指导教师：王炜俊 设计时间：2014.12 小组成员及分工： 组 长：鲁春娇 文献检索：王龙飞，顾凯文档编辑：褚方俊，余普目录前言41、再生制动41.1再生制动简述41.2再生制动目的42、飞轮52.1飞轮概念52.2飞轮结构52.3飞轮电池62.4飞轮应用63、超级电容63.1超级电容概述63.2超级电容分类73.3超级电容特点73.4超级电容应用84、锂电子介绍84.1锂电池概述84.2锂电池分类84.3锂电池优

2、点94.4锂电池发展趋势95、不同方法比较106、比较结论107、个人心得128、参考文献12前言 在全球倡导节能、低碳的今天,城市轨道交通中的再生制动能量回收利用问题得到了全世轨道交通界的广泛关注。电能是轨道交通的主要能源，但电能即发即用的特点也限制了它进一步的应用，而储能装置的出现，在某些方面弥补了电能的这种不足。在城市轨道交通中,站间距一般较短,列车起动、制动频繁,从能量相互转换的角度看,制动能量是相当可观的。随着锂电池、飞轮、超级电容器等储能技术的发展,如何利用储能技术来解决列车制动失效、改善列车受电弓电压、节约列车运行能量等问题得到世界轨道交通界的广泛关注。1、再生制动1.1再生制动

3、简述 再生制动(Regenerative braking) 亦称反馈制动，是一种使用在电动车辆上的制动技术。在制动时把车辆的动能转化及储存起来；而不是变成无用的热。再生制动在电力机车、有轨电车、无轨电车及纯电动或混合动力汽车上常见。电力机车、有轨电车、无轨电车通常是把产生的电能输回接触网，而汽车则可能把电能储在飞轮、电池或电容器之内。传统的的动力制动则会把电能在电阻转成热能后逸散。 最普通的制动方法会把车的动能，以摩擦直接转化成热能。“再生制动”和另一种原理接近，但较为简单的“动力制动”(Dynamic Braking)，则是把电动机转成发电机使用，把车辆的动能转成电能。动力制动通常只会把产生

4、的电，经过电阻转成无用的热放走。而再生制动则会把电力储起来或透过电网送走，再生循环使用。使用再生制动的车辆仍然会有传统的摩擦制动，提供快速、强力的制动。一般的再生制动只会把约30%的动能再生使用，其余的动能还是成为热。这效率根据不同的使用环境而有所不同。以我国线城市轨道交通2号线为例来说明：西安市城市快速轨道交通2号线全长32402km，共设24座车站。由于2号线是西安市规划建设的轨道交通中实施的第一条线路，其设备的选型对其它将要实施的规划线路具有示范作用，故2号线采用何种再生制动能量吸收方式具有十分重要的意义。 在国外城市轨道交通运输系统中，已经投入运营的再生制动能量吸收装置有制动电阻吸收装

5、置、逆变器吸收装置、电容吸收装置以及飞轮储能吸收装置。我国在城市轨道交通中应用再生制动能量吸收装置尚数起步阶段，由于制动电阻吸收装置比较成熟，国内地铁对再生制动能量的吸收方式一般采用电阻耗能方式，仅在北京地铁5号线中采用了电容储能吸收装置。1.2再生制动目的 把电动机械的无用的或不需要的或有害的惯性转动产生的动能转化为电能，并回馈电网，同时产生制动力矩，使电动机械快速停止无用的惯性转动。电动机械是一个电能转化为机械能的带有运动部件的装置，常见为旋转运动，例如电动机。而这个转化过程常见的是通过电磁场的能量变化来传递能量和转化能量的，从更直观的力学角度来讲，是磁场大小的变化。 电动机接通电源，产生

6、电流，构建了磁场。交变的电流产生了交变的磁场，当绕组们在物理空间上呈一定角度布置时，将产生圆形旋转磁场。运动是相对的，等于该磁场被其空间作用范围内的导体进行了切割，于是导体两端建立了感应电动势，通过导体本身和连接部件，构成了回路，产生了电流，形成了一个载流导体，该载流导体在旋转磁场中将受到力的作用，这个力最终成为电动机输出的扭矩中的力。当切除电源时，电动机惯性转动，此时通过电路切换，往转子中提供相比而言功率较小的励磁电源，产生磁场，该磁场通过转子的物理旋转，切割定子的绕组，定子于是感应出电动势，此电动势通过电力装置接入电网，即为能量回馈。同时转子受力减速，此为制动。合称再生制。2、飞轮2.1飞

7、轮概念 飞轮是一个质量较大的铸铁惯性圆盘，它贮蓄能量，供给非作功行程的需求，带动整个曲连杆结构越过上、下止点，保证发动机曲轴旋转的惯性旋转的均匀性和输出扭矩的均匀性，借助于本身旋转的惯性力，帮助克服起动时气缸中的压缩阻力和维持短期超载时发动机的继续运转。多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行动平衡，否则在旋转时因质量不平衡而产生的离心力将引起发动机振动，并加速主轴承的磨损。为了在拆装时不破坏它们的平衡状态，飞轮与曲轴之间应有严格的相对位置，用定位销或不对称布置螺栓予以保证。 飞轮常见的损坏部位是齿圈磨蚀损坏、端面烧蚀、挠曲变形及飞轮螺孔损伤。飞轮总成是发动机的重要部件，它的运转每分钟高达上百转，其重

8、要性由此可见。飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。2.2飞轮结构 飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些支持系统， 如真空、深冷、外壳和控制系统。（1）转子系统： 飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮直径的 2次方和飞轮的质量（J=(0.51)*M*R2,飞轮质量分布均匀时取0.5，质量完全集中在边缘时取。当过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，往往超过飞轮材料的极限强度，很不安全。因此，用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是

9、有限的。 （2）轴承系统： 支撑转子的轴承，支撑转子运动，降低摩擦阻力，使整个装置则以最小损耗运行。（3）转换能量系统： 飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。 飞轮储能器中没有任何化学活性物质，也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动。飞轮在转动时的动能为： E =1/2J2 式中： J为飞轮的转动惯量 为飞轮旋转的角速度2.3飞轮电池 飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知

10、。 当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。 当飞轮电池输出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电他的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高(高达200000r/min)，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能呈可达150W·hkg，比功率达5000-10000Wkg

11、，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。2.4飞轮应用 飞轮储能电源系统非常适合应用于混合电动汽车中。车辆在正常行使或刹车制动时,给飞轮储能电源系统充电;在车辆加速或爬坡时,飞轮储能电源系统放电,给车辆提供动力,保证车辆运行在一种平稳、最优状态下的转速,可减少燃料消耗,并可以减少发动机的维护,延长发动机的寿命。众所周知,在城区运行的各种车辆需要频繁的刹车制动、再启动。而刹车制动的能量,却以机械磨擦的形式转化为热能消耗掉。研究证明,此能量约占车辆使用能量的30%。如果能再利用这部分能量,则会产生巨大的经济效益。 飞轮储能电源系统除了在电动汽车中的应用以外,还可以用于电车、载重汽车、城

12、铁、铁路交通等许多领域。3、超级电容3.1超级电容概述 超级电容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

13、其基本原理和其它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大的容量。 突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。基本结构如图所示：3.2超级电容分类根据储能机理的不同可以分为以下两类：（1）双电层电容： 双层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离

14、子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。（2）法拉第准电容：法拉第准电容其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反

15、应。当电解液中的离子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。3.3超级电容特点（1）充电速度快，充电10秒10分钟可达到其额定容量的95%以上；（2）环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达150万次，没有“记忆效应”；（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率90%；（4）功率

16、密度高，可达300W/KG5000W/KG，相当于电池的510倍；（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的电源；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；（7）超低温特性好，温度范围宽-40+70；（8）检测方便，剩余电量可直接读出；（9）容量范围通常0.1F-1000F 。3.4超级电容应用 城轨车辆制动能量的利用与行车密度有很大关系。如果行车密度大,例如地铁车辆的行车间隔普遍可以达到三四分钟,则列车制动时反馈的电能基本上就能提供给其他正在加速的列车使用。因此,作为储能装置的超级电容,更适合于行车密度相对较小的轻轨系统。超级电

17、容器安装在列车上采用国产不对称型超级电容器,电压1 500 V,功率600 kW,储能系统支撑50%的供电功率,持续时间30 s,所需的总能量为9MJ,选用12 000 F/1. 4 V的电容器(放电范围1.41V),需要1 500支,1串,每支电容器250元,总计约40万元,再加平衡电路、检测与控制电路,储能单元总成本约50万元。可见,如果依靠国内技术成功研制适用于城市轨道交通的超级电容器,可以大大降低设备本身的价格。 城市轨道交通领域,国内仍处于研究阶段,还没有成熟产品。目前,国内研究生产的超级电容器主要用在电动汽车、电力系统等领域。其容量和功率相对较小,例如用在电梯节能器上的超级电容器，

18、其容量为0.5 kW·h,功率也只有几十kW。4、锂电子介绍4.1锂电池概述 锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。4.2锂电池分类锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放

19、电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数的几个国家的公司在生产这种锂金属电池。（1）锂金属电池： 一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电反应：Li+MnO2=LiMnO2（2）锂电池基本原理：锂离子电池：一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。充电正极上发生的反应为： LiCoO2=Li(1-x)CoO2+XLi+Xe-(电子)充电负极上发生的反应为： 6C+XLi+Xe- = LixC6充电电池总反应： LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC64.3锂电

20、池优点（1） 能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；（2）使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；（3）额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用。（4）具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；（5）自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做

21、到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；（6）重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；（7）高低温适应性强，可以在-20-60的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45环境下使用；（8）绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。（9）生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。4.4锂电池发展趋势锂电也处于技术自我突破期,引入石墨烯材料亦有望提升电池性能。近十年来,工业应用的锂电能量密度已由100wh/kg提升至近200wh/kg,目前,除去尝试新的正负极材料、在隔膜与负极材料方面引入涂覆工艺、纳米技术等手段外,提高充电电压提升

22、能量密度亦取得突破进展。电池亦有望从中受益,锂电性能的提升仍有较大空间。结合混合动力列车储能部件的工作特性,针对不同的测试工况,制定了完整的储能部件测试流程。在测试实验基础上,分阶段研究了不同充放电倍率下磷酸铁锂电池的电压特性、电流特性和容量特性,验证了满足列车电源选型要求的电池参数,并为电池充放电策略提供了依据。 锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，得到广泛的认可。自从商业化以来，锂离子电池不断攻城略地，已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。锂电池电解液目前主要用于手机、数码相机、手提电脑等电子产品以及矿灯，约占

23、锂离子全部使用量的90%；已经独霸手机和手提电脑等高端市场，成为各类电子产品的主力电源。电子产品、矿灯等用锂电池的需求将保持每年10%的稳定增长。5、不同方法比较 飞轮储能装置与超级电容，电池等储能装置比较，其能量密度最大，但是功率密度比介于二者之间。超级电容的能量密度最小，功率密度最大。电池的能量密度二者之间，功率密度最小。同时,飞轮是纯物理储能，稳定可靠，对使用环境（温度，压力等）的要求低。最后，他是三者中最昂贵的储能方式。根据这个比较，他比较适合于恶劣环境，价格不敏感，功率需求一般，同时轻量化储能装置的需要。目前这种应用主要在太空飞行器上，比容国际空间站的飞轮电池，我国有储能，陀螺定位二

24、用飞轮。还有美国设计了飞轮储能UPS和应急供电车。超级电容和飞轮储能都属于物理储能的范畴，电容限制于比表面积和击穿电压的限制，石墨烯是很好的做电容的材料，但现在制取困难，很难实用化，而飞轮由于高速旋转，飞轮边缘需要能承受大的应力，这个也是在材料上卡了壳，单晶石英是很适合做飞轮的，但还是在制取上出问题。另，两者都存在瞬时放电性，这个对电压的调控很复杂，不过对于电磁炮，电弹来说就是好事，刚好满足其需电特点。飞轮的最大特点就是能量密度高，要远远高于电容，等石英实用化了后，其能量密度将提高一个等级。电容方面我国做的很好，但飞轮就差远了，除了几个所做过验证性研究外，其它都是空白。而美日已经小型实用化了，

25、主要用于电网调峰和应急电源。飞轮还需要高性能电机和超导材料，虽然更复杂，但使用成本和维护成本都很低，最主要性能好。6、比较结论 城轨交通系统中的超级电容储能装置目前常用的电能存储方式主要为以下三种:蓄电池、飞轮和超级电容。这几种储能方式各具优劣，其相对比较情况如表1所示： 表1几种储能方式的比较结论： 通过以上对比情况,可以看出超级电容在功率密度、效率和寿命上都具有明显的优势。同时，在城市轨道车辆中使用超级电容回收方案还具有以下3点优点:(1)降低了能量损耗,把消耗在制动电阻上的能量用于地铁空调和照明等,实现了能量的再生使用;(2)减少线电流的波动,从而减小在直流母线上的能量损耗,有利于线路电

26、压的稳定;(3)使隧道以及站内温度升高这一难题得以解决。对此，综上所述我们提出用超级电容储能装置（见图1）来解决以上问题。 图1城轨交通系统中的超级电容储能装置图中再生储能系统由两部分组成:超级电容和双向DC/DC变换器。其中，超级电容的作用是以电压建立磁场来存储电能;双向DC/DC变换器的作用是将列车的制动能量传递给超级电容,或将超级电容的能量反馈给列车。 双向DC/DC变换器：双向DC/DC变换器可实现双象限运行,即变换器两端电压方向不变,但电流方向可以改变,在功能上相当于Boost变换器和Buck变换器的组合。双向DC/DC变换器可分为隔离式和非隔离式两种,非隔离式的双向DC/DC变换器，结构比较简单，所用的有源器件比较少，而隔离型双向DC/DC变换器存在隔离变压器，因此需要通过调整隔离变压器的增益来实现双向DC/DC变流器的大范围变压，由于实际的超级电容储能系统的双向DC/DC变换器的两端电压变比并不高，从成本和可靠性方面考虑，本文超级电容储能系统中采用非隔离型双向DC/DC变流器（其拓扑结构如图2所示）。双向DC-DC变换器问题主要工作在3个状态:列车牵引或加速时,变换器等效为升压斩波器,超级电容中的能量释放给中间电容,经逆变器提供给牵引电机;列车惰行时,变换器停止工作,处于备用保持状态;列车制动