转作者：华 黎<超级电容公交车示范线系统研究 >

电容车

时间：2008/02/25
原址:http://www.chinaev.com.cn/ZC/zsk ... nmu_name=repository
[简介] 超级电容公交车系统是一种新型的城市公交系统。它以超级电容器为储能装置，以双极受电弓为受电机构，以交流变频调速为驱动方式，在超级电容公交车停靠站、乘客上下车时，候车站充电系统快速补充电能，从而实现超级电容公交车的无线运行。快速充电站与候车站艺术化地融合在一起，结合智能化交通信息显示站牌，形成一道都市风景线。超级电容公交车供电系统，则利用原无轨电车整流站，去除架空裸线，减少了线阻电耗，节约了维护费用，增加了车辆机动性，改善了视觉环境。是一种洁净的城市客运方式。

一． 概 述

电车在我国具有近百年营运历史，以其尾气零排放、低噪声，以及使用清洁、廉价能源的优势，被誉为“绿色交通”，为城市交通和环境保护做出过重要贡献。但无轨电车架空线“视觉污染”、“机动性差”、“规划困难”三大难题，致使无轨电车在我国日益遭遇冷落，一些城市相继实施“电改汽工程”，缩减电车规模，有的则干脆将线网拆除。但石油紧张和汽车尾气排放带来的能源危机和环境污染问题也日益凸现。城市公共交通的无轨电车发展陷入了尴尬的境地。（如图1、图2
2006年我国机动车的保有量已达1.5亿辆，而城市规划中，到“十一五”末期，城市公交车辆的保有量也将超过45万辆。在汽车保有量的高速增长的同时，城市机动车有害气体排放及噪音污染也日趋严重。据我国城市环境空气质量监测表明，大城市中氮氧化物的50％和一氧化碳和碳氢化合物70％都为机动车尾气排放，造成北京、上海、广州等大城市中70%的城市环境空气质量不达标。城市中心地区，一氧化碳大多超标。机动车已成为城市中主要污染源，而目前形势还在急剧恶化，有数据表明，目前我国机动车排放碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的总量已经是1995年的3倍。

据上海市15个交通路口的监测结果表明，氮氧化物和一氧化碳浓度比对照点分别高10倍和6倍，均超过国家三级标准。另据统计一辆共汽车向空气中排放的有害气体，相当于30辆轿车排放量。如果城市中每80辆普通公交车被替换为电车，每年可减少一氧化碳的排放179.2 吨，氮氧化物的排放83.2 吨。

从上数据可以看出，我国城市环境污染中汽车的贡献度明显高于发达国家，造成目前这种状况的原因主要有二点。一是国产车汽车尾气排放标准低、监管不力。相同排量设计的车辆排放量设计标准比美国生产的高10倍；二是交通拥塞，增加了能耗和污染物排放量。汽车的时速从40公里降到10公里，燃料消耗量增加一倍，环境负荷增加2～4倍。在人口高度密集的特大城市，城区汽车行驶速度通常低于每小时20公里，并经常处于怠速、低速、加速、减速等恶性排放状态，城区空气污染状况严重。上海城区公交汽车行驶平均速度仅为12.5公里/每小时。

为解决能源危机和环境污染问题，世界各国纷纷开始了电动汽车的研制工作，我国也将电动车的开发研制列为“十五”国家重大科技项目，国家前后共投资研究费用15亿元。同时在新汽车产业政策中明确提出“引导汽车消费者购买和使用低能耗、低污染、小排量、新能源、新动力的汽车，加强环境保护”，这是国家颁布的产业政策中首次提出要对节能、环保汽车产品给予支持，从而促进中国节能、环保汽车的发展。

要解决目前严重的交通污染以及日趋严峻的能源问题，必须从规划、建设、管理、车辆和能源等诸多方面采取措施，并通过立法、经济以及科学管理等手段加以落实。

针对城市公交方面，应着重从以下几个方面采取合理措施：改善城市规划，加强交通管理，为机动车运行提供良好的道路条件；大力推广采用环保新技术与替代能源，不断提高我国的排放控制技术、优化能源结构。

电动汽车，包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车，具有减轻大气污染和优化能源结构的双重作用，而纯电动汽车则是电动汽车发挥作用的技术基础和未来。据统计，2000年上海市人每天出行搭乘公共交通工具的比例为21%，预计2020年升至35%，其中在市中心商业地区的比例将高达50%。目前，上海市拥有公交车辆约为19742辆，而尚在运营的无轨电车仅477辆。

无轨电车作为城市的绿色交通工具，虽然是目前唯一具有实用价值的零排放公交车，但由于受到架空线网的限制，且机动性差的致命缺陷，在日益现代化的城市景观中电车触线造成了严重的视觉污染，每年电车触线的监测维修成本也很高，网线故障能造成部分交通瘫痪。无轨电车的现状成为各地交管部门和城市规划部门的一块心病，严重制约了公交电车行业的发展。

超级电容公交车的出现能够解决无轨电车的缺陷。超级电容器是为了改善传统电车的缺陷，发挥其零排放、节能、低成本、低躁音的优点而研制的一种先进的储能装置。超级电容公交车是以超级电容器为动力储能电源的新型节能电车，车辆保持了无轨电车的优点，没有任何排放，同时无轨无线，完全能满足公交的需要。
二． 项目的提出

2.1需求背景

上海作为国际大都市，为构建中国特大型城市“以人为本，绿色环保”的未来交通构架，为实现上海市2010年承办世博会的主题“城市，让生活更美好”的承诺，必须实施城市交通可持续发展战略。根据《上海市城市交通白皮书》的要求，公共交通要为市民提供“畅达、安全、舒适和清洁”的交通服务，到2020年中心城市的空气质量达到国家二级标准。据调查发现，目前上海市民出行，约1/4选择公共交通，并预测出未来几年市民出行方式。（见表1）

表1  各规划年上海市市区居民出行方式构成

这几年，虽然环境污染日益加剧，但公交电车的数量却不升反降，各地在减轻城市空气污染和消除交通堵塞隐患、美化城市景观上都遇到了难以调和的矛盾。

超级电容器（EDLC电化学电容器）是近十几年发展起来的新型储能器件，兼具传统电容器和电池的特性，因此在众多储能领域将发挥越来越重要的作用。2007年1月号的美国《探索》杂志，将超级电容器列为2006年世界7大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。（tech.sina.com.cn/d/2007-01-08）

从2002年开始，上海结合城市建设和道路状况对新型无轨电车进行了开发，目标是实现无轨电车的全线路脱线运行，减少架空网线给城市造成的视觉污染，同时提高无轨电车的机动性，避免由于无轨电车机动性差引起的交通阻塞现象的发生。经过技术人员反复的比较、论证和实际使用检验，从技术、经济和可靠性角度，超级电容器最终被确认为可满足有线充电、无线运行要求的新型电源。

2.2超级电容器特点及分类

超级电容器是介于蓄电池和传统静电电容器之间的一种新型储能装置，具备优良脉冲充放电性能和传统静电电容器所不具备的大容量储能特性，近几年来，超级电容器技术的发展和应用引起了人们的广泛关注，这种储能装置兼顾了电解电容器和电池这两种储能装置的优点。



图3超级电容器与各种蓄电池和传统电容器的关系

下表是这三种储能装置的性能对比。

表2   三种储能装置性能对比



超级电容器按电极结构可分为以下几类：


2.2.1碳-碳双极板对称结构超级电容器

正负电极采用了超大比表面积材料，这种超级电容器储能方式属于静电储能，能量储存与释放不涉及伴随质量转移的氧化还原过程，能量储存与释放速度很快，时间常数小，充放电次数可达到50万次，该类电容器目前主要应用于瞬时高功率辅助。

2.2.2过渡金属氧化物超级电容器

电极反应是以快速法拉第氧化还原反应为基础，绝大多数电荷转移发生在固体电极的表面或表面附近的薄层内。储存容量通常比双电层材料大很多，其能量密度较高，此类超级电容器目前还处在实验室开发阶段，作为电极材料的各种过渡金属氧化物和聚合物制作工艺和最佳特性还在摸索过程中。



2.2.3混合型超级电容器

利用金属氧化物超级电容器的超大比能量与双电荷层超级电容器的有效配比，获得比双电荷层超级电容器高4倍的比能量。根据使用条件的不同及制造材料不同，充放电次数可达1～20万次。该类电容器的特点是比能量高，因此，特别适合长寿命能量提供。此类超级电容器也是国内超级电容器应用技术水平最高的一种。

2.2.4国内外研究情况

国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。目前，在超级电容器领域中处于领先地位的国家有美国、俄罗斯、日本、瑞士等，这些国家均把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目，提出了近期和中长期发展计划。

俄罗斯的ESMA公司是生产无机混合型超级电容器的代表，然而， ESMA公司目前还没有形成规模生产能力。此外，俄罗斯ELIT公司、法国SAFT、美国的COOPER公司、日本的NEC公司和松下公司也投入巨大资金对大容量超级电容器进行规模化生产的研究。

国内从事大容量超级电容器的厂家共有9家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有4～5家。

上海奥威科技开发有限公司开发的“车用超级电容器”，具有以下特性：

①高功率密度。超级电容器的放电电流可以达到数百安培，大电流应用场合，特别是高能脉冲环境，可更好的满足功率要求。

②充放电时间短、效率高。超级电容器可在很短的时间内完成一个充放电循环，远远低于可充电池，这可以很好的满足电动车的启动、加速、爬坡、能量回收的要求。

③使用寿命长、少维护。超级电容器的循环使用寿命可达10万次以上，比目前最好的电池要高出100倍，同时在使用过程中不需要经常性维护。

④适用温度范围宽。可在-40～60℃范围内使用，可满足车辆动力系统在低温环境下的启动。

    ⑤清洁环保，无二次污染。超级电容器所使用的材料无毒、无重金属物质，使用过程和使用后不会对环境造成污染。

从超级电容器的特性以及与其他储能器件性能对比来看，超级电容器具有非常明显的优势。因此，采用超级电容器作为无轨电车的主动力是完全可行的。
表3  国内外主要超级电容器水平对比

中外企业
       
表为经过查新获得超级电容器与国内外主要生产厂家的对比情况。通过对比可以看出，奥威产品与国外同类产品的电性能和物理性能相同或较为接近，某些性能已经超过了国外同类产品，总体上看，超级电容器的产品达到同类产品的国际先进水平。

三． 项目的实施

2003年在上海市科委主持下，上海市有关单位承担了《电容蓄能变频驱动电车研制与应用》、《超级电容器产业化关键技术研究》、《超级电容公交电车集电弓系统研制与应用》等项目针对现行无轨电车的弊端进行攻关。

3.1项目特点

3.1.1车辆选择

超级电容公交车底盘由上海申沃客车提供，车身长为11420mm，交流主电机功率为75kw，最大功率为150kw，空调功率为18kw，车辆最大质量为16500kg，有41 个座位，满载最高时速≥45km/h。（如图3）

3.1.2电容蓄能系统配置

电容蓄能系统由上海奥威科技开发有限公司制作。电容蓄能大小（E）根据车辆的能耗（Kwh）与续驶里程（Km）的要求而定。

超级电容器储能原理根据公式E＝1/2CV2决定，其中C为电容容量大小，V为工作电压。

本方案电容系统为600V/200F组件，为组装及操作方便，分成20个小组件（如图4），每个组件30V，总重约850kg。电容蓄能系统最高工作电压为600伏，最低工作电压为400伏。组件总储能E＝1/2×200×（6002-4002）＝5.55Kwh。以1Kwh/Km的能耗水平计算，此方案可以保证车辆行使5公里以上。

超级电容器充电系统采用大功率充电器充电，最大电流可达250A。完全充电只需1～2分钟。最大浪涌工作电流达400A，而且可以用于充放电频度较高的工况。循环使用寿命达到了100000次以上，使用得当可与车辆同寿命。适用温度范围可在-40℃~60℃之间。

3.1.3变频调速交流驱动控制系统

电容电车采用交流变频驱动的新概念使电容电车实现了全数字智能控制系统方式，自动采集车速、行驶里程、电能消耗与制动能量回收等参数，系统自动故障诊断等。在电容电车制动时，可回收20%-40%左右的再生制动能量，使能量得以循环使用，提高了能源远的使用效率，减少了制动能量对环境温度的影响，降低了机械制动器的损耗，有着较高的环保、节能效应和经济效益。同时也使电车具有优异的启动、加速和爬坡能力，乘坐更舒适。

电容车

3.1.4电车集电弓系统

电车集电弓系统主要功能是通过集电弓系统将动力电输送至电车以便对电容电车充电。通过本系统双极受电弓的快速升降，实现与电容电车充电供电线路的快速接触与分离，快速完成对电容电车的充电过程。该新型受电装置，一改传统无轨电车受电弓体积大、笨重及运行时易脱线等缺点，新型双极受电弓轻巧、升降结构，仅在需受电时才伸出受电，平时在电车顶部处于隐蔽状态，不影响电车外观。且由于该新型受电装置受电时是面与线的接触，在静止状态受电，接触可靠，受电状态稳定。是电容电车理想的受电机构。（见图5）

3.1.5景观候车快速充电站

景观候车快速充电站主要功能是给电容电车提供一个快速充电站点，同时亦作为乘客候车站。本景观候车亭快速充电站设计新颖，具有强烈的现代美感，制作考究，各项安全措施考虑的较全面，达到了安全、可靠、美观、实用之目的。（见图6）

3.1.6动力供电系统

动力供电系统分为二种，一是利用原无轨电车整流电源DC/600V供电，去除架空，改为隐蔽电缆，减少了因为裸线线阻电耗，节约了架空线大量维护费用。二是用380V（或1万V）动力电接入地埋式升（降）压变器升压（降压）至520伏，最后通过低压整流柜整流输出要求为600伏12脉直流。整个供电系统有独立的计量与控制，有多重保护、控制开关及严格接地确保供电安全。

3.2项目实施与推广

3.2.1第一阶段：电车脱线运行

从2002年5月28日至2003年1月5日，对166号无轨电车进行技术改造，实现166号无轨电车5km脱线运行。取得了非常满意的结果，实际离线空载最大运行距离超过了7.9km，离线通过淮海路至新疆路站点间的运行测试，得到了超级电容器的实际供电数据及道路工况数据，为超级电容公交车的进一步优化和开发提供了宝贵的数据。



3.2.2第二阶段：打造新型超级电容公交车

从2003年2月至2004年7月，打造新一代超级电容公交车于2003年底完成系统集成。并在上海张江高科技园区建成了第一个景观候车快速充电站。超级电容公交车从2004年6月7日开始正式试车，试车结果反映出超级电容公交车达到了预期性能指标。

l        一次充电公交模式续驶里程：空调开起时5.0km；平均车速25km/h，电容器输出能量4.5kwh；充电测试时间为1.5min(200A充电)；0→40km/h加速时间为12.8s。

l        最高车速为55km/h；12.3%坡道上驻坡后，顺利通过爬坡；7.8%坡道上上坡或下坡时，采用电制动可靠驻坡。

l        最大再生制动能量回收40%。

通过运行试验结果表明，电容电车不仅能完全满足脱线带空调运行3 km目标，同时表明，若采用始发站满充超级电容器、并在乘客上下站点补充30秒对超级电容器充电，完全可以替代现有无轨电车整线路无线运行。

经过近二年的努力，完成了世界上第一辆具有实际商业运行的电容电车及运营配套的景观候车亭式快速充电站系统。2004年7月19日通过项目鉴定并稳定运行两年时间，总里程达到了50000km，其中关键部件超级电容器性能稳定可靠，经历了高温季节的考验，达到了预定技术指标.从而证明了采用超级电容器作为电车驱动电源的方案是完全可行的。

3.2.3第三阶段：超级电容公交车系统示范推广应用

从2005年7月至2006年7月，制造了三辆超级电容电动公交车，并在上海新国际博览中心和磁悬浮（龙阳路）站建设了两个充电站。2005年11月4日，在上海国际工业博览会开幕当日正式投入运营。到现在为止，三辆超级电容公交车运行正常，安全性、可靠性、经济性都达到了设计要求，为进一步推广提供了宝贵经验。（见图8）

   

图8  超级电容公交车在第七届上海国际工业博览会参展并载客运行

3.2.4第四阶段：超级电容公交车系统商业示范推广

2006年8月28日，开通首条超级电容公交商业运行示范线---公交11路老城厢环线，首批共投入10辆电容公交车，开始了第一次商业化运行的旅程。

11路公交线路呈环线，10站共5.2km。每站距离约500米。其中老北门是城隍庙门口，繁华区，交通比较拥挤。首班车为早上5点30分，末班车为晚上11点30分。每辆车每天运行24圈环线，每圈约28分钟。（见图9）

截至到2007年9月已经运行一年多，运营总里程超过32万公里。经历了高温、严寒天气，复杂路况等考验，情况良好。超级电容公交车取得了良好的社会效益和经济效益。

  图9 运营中的11路超级电容公交车

能耗情况：平均能耗为0.98kWh/km，平均能量回收率达到20%（最大能量回收率≥40%），达到预定指标，部分技术指标甚至超过了设计要求。

表4    综合采样数据统计表   随机采样日期：2007.2.27-5.29

shuiyi163

好文，谢谢

supuser

好像是给外行看的，他怎么不说由于电压在不断变化，需要控制器可以在任意电压取电的设计呢，

jcq

内行都知道，用说吗？

supuser