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2018年第15期（5月 下）
0 引言
城市轨道交通与其他交通方式相比具有运量大、运行耗能低、安全性高等优点。对于大中型城市，现代有轨电车是地铁等大运量交通系统的有效补充，能有效解决城市环境污染、交通拥堵等各方面问题，是交通运输体系多层次体系的重点发展方向。对于我国一些城市规模较小，人口密度较低，同时经济实力有限，难以承担建设地铁或轻轨带来较大财政压力的中小城市，有轨电车可以承担主要交通运输任务。
1 现代有轨电车供电方式
国内外有轨电车典型的供电方式有三种：1.1 全线接触网
全线使用接触网供电，不需要车载储能供电。1.2 无触网 无触网技术包括第三轨供电、储能式供电、磁感应式供电三种。第三轨是指安装在城市轨道线路旁边的， 单独用来供电的一条轨道。优点是不影响城市景观，检修便捷、架设成本较低等。缺点是由于安装在地面，相对较危险、对安检巡查要求较高，如有不慎可能造成人员伤亡。
储能式牵引供电系统利用车载储能代替地面与车辆的实时供电，是现代电动汽车技术在现代有轨电车系统的延伸与发展，充分利用了储能技术和现代电力电子控制技术的发展成果。采用储能式牵引供电系统，彻底消除了架空接触网对城市景观的不利影响。该系统适合城市内对景观要求比较高的现代有轨电车系统。1.3 组合供电
在景观要求不高，无特殊条件限制的路段使用接触网供电；在景观要求高，有特殊条件限制的路段使用储能电池供电。在有网段运营时，接触网既给车辆提供正常用电，同时也给储能装置充电；储能装置容量足够时，还可为车辆供电提供双重保障，万一某有网区段或某些非相邻站点供电出现故障，不会影响车辆的正常运营，可通过车 辆储能装置给车辆提供应急用电。
超级电容是一种适用于无轨和有轨电车、轻轨、高铁、采矿的高性能储能产品。与传统有轨电车相比，采用超级电容作为储能元件的超级电容储能式有轨电车，能够无接触网运行，利用超级电容功率密度高、充放时间短、寿命长的特点，将电能快速存贮在大功率储能元件中，作为车辆正常牵引的动力源。
随着城轨列车采用再生制动技术的普及，列车再生失效问题频繁发生，如何采用储能技术确保一定的再生负荷来防止再生失效问题的发生，减少列车运行能耗成为世界城市轨道交通中的研究热点。当前国际上采用超级电容储能技术解决这一问题几乎是一致的成功方法。超级电容结合大功率静止变流开关可以方便地储存制动机车的能量，并在机车启动加速时重新供给机车使用，能有效缓和机车启动对供电系统的负荷冲击，提高供电系统的稳定性和可靠性。
3 超级电容在有轨电车中应用的关键技术
超级电容在有轨电车中的应用技术中，有关超级电容与接触网或燃料电池的混合充电技术是研究的重点，主要涉及混合充电系统及电源管理问题，其次是超级电容充电装置或系统的开发。3.1 混合动力电源管理技术
现今无触网运行有轨电车的供电，多主张采用混合供电技术，除了接触网，还结合车载电池组成混合动力系统。最常用的车载电池包括超级电容、燃料电池、蓄电池。这几种电池各有其特点，以氢燃料电池为代表的燃料电池，突出的特点就是无污染、效率高、可循环利用，但是燃料电池成本高、氢气来源有限、存在爆炸等安全隐患；锂电池能量密度低，电池一致性问题难以解决，精确性和稳定性很难控制，现大多数电动汽车使用的是磷酸铁锂电池，电动汽车续航里程短，难以满足消费者需求；从
收稿日期：2018-03-12
作者简介：赵芳（1979—），女，高级工程师。
超级电容在有轨电车中应用的关键技术
赵芳
（上海市公用事业学校轨道交通系，上海 200030）
摘要：针对有轨电车电力牵引运行的特点，结合专利技术，阐述了超级电容在有轨电车中应用的关键技术，包括混合动力储能管理系统及超级电容快速充电系统相关技术。分别介绍了先进的混合动力储能管理系统以及超级电容快速充电系统的结构及工作原理，对国内外应用现状及发展趋势进行了阐述。有助于读者了解当前超级电容在有轨电车应用的技术热点及实施方案，促进该领域的技术研究及实践。
关键词：有轨电车；超级电容；供电制式；接触网；混合动力；储能系统中图分类号：U482.1
文献标识码：B
TRANSPOWORLD
交通世界
理论上讲，超级电容比锂电池、燃料电池各方面更优异，
优点是充电速度快、效率高、放电效率快以及耐充，但其
自身也存在两点缺陷：一是安全性，过快的充电速度和过
高的放电效率导致安全性更难控制；二是较低的安全电
压，这制约了其更广泛的应用。
混合动力有轨电车的能源管理技术成为超级电容在有
轨电车领域广泛应用的核心问题。混合动力系统通过主控
单元接收有轨电车车辆控制装置发送的信号，判断是启动/加速信号，还是匀速信号，或者制动/减速信号，其中燃料电池负责在有轨电车匀速运行阶段为牵引系统和辅助系统进行供电，超级电容负责在有轨电车启动加速阶段为牵引系统提供能量输出，在有轨电车制动阶段对牵引系统进行能量回收。这几种电池分别通过各自的DC／DC（Direct-Current双向直流斩波器）来为各自负责的系统供电。
该混合动力系统根据牵引电车在启动、加速、匀速和制动等状态下的特征，控制燃料电池、超级电容和
蓄电池提供牵引电能，解决了超级电容能量不足和动力电池功率特性不足的缺点，实现了储能部件之间的互补不足，燃料电池和动力电池互为冗余，可实现其中一种供电部件故障工况下的紧急救援。
3.2 快速充电系统
由于超级电容能量密度远低于蓄电池，一次充电所能储存的能量有限，车辆运行距离短，一般为2km左右，因此需要在每个车站设置快速充电装置，采用车辆到站充电的方式，为车辆提供电力。因此如何提供超级电容的快速充电装置或系统成为各企业研究开发的对象，也成为非常关键的研发技术。
超级电容储能使有轨电车采用车站停车充电，区间运行采用车载超级电容储能牵引，在每个车站设置成套直流充电装置，要求每次车辆进站充电时间不大于30s，充电过程中整车的连续充电电流为1500A～2400A，输出电压的变化范围为DC400V～900V，另外还需配超级电容的充电曲线。用于超级电容储能式有轨电车的快速充电装置是一种直流充电装置，输入既可以是交流也可以是直流，目前用于超级电容储能式有轨电车的快速充电装置多采用高压交流电网供电方案，也有推荐采用第三轨充电方案。
一种新型超级电容的有轨电车大功率充电设备结构如图2所示。
该有轨电车大功率充电设备由整流变压器、充电装置柜、输出隔离柜、主控制系统及车辆位置监测装置构成。其中，整流变压器把从高压供电网输入的交流电压变换为适用于充电装置柜的输入电压，充电装
置柜用于从整流变压器输入的电压产生有轨电车车载超级电容储能装置所需要的充电电流或充电功率；输出隔离柜用于把充电装置柜产生的充电电流或功率输出至有轨电车并实现有轨电车上、下行充电切换；主控制系统分别与整流变压器、充电装置柜、输出隔离柜和车辆位置监测装置信号连接和通讯连接，用于控制充电设备的启动、停止和根据车辆位置监测装置提供的车辆位置信号来控制充电设备对有轨电车充电的启动和停止，同时根据采集到的车载超级电容储能装置的状态信息，自动调整相适应的充电电流或充电功率。主控制系统包括可编程逻辑控制器PLC和主控板，主控板采集到的车载超级电容储能装置状态信息及车辆位置监测装置信息经过逻辑判定计算后，经由PLC向输出隔离柜发送开通与关断信号，对车载电容进行充电。
对于充电装置或系统，除了相关提高充电性能的充电技术，还有改善超级电容充电整流器对电网存在谐波污染的问题，以及降低充电装置的直流平波电抗器漏磁大、噪声大的问题，均是提高超级电容充电效率的关键技术。
4 国内外应用现状及发展趋势
4.1 应用现状
20世纪70年代末，有轨电车凭借其新技术带来的噪音低、振动小、节省能源、与城市景观协调的优势重新回到人们的视线。据不完全统计，目前全世界有60多个国家240多个城市已经建成现代有轨电车。
2006年我国第一条现代有轨电车线路在天津滨海新区建成。目前我国在沈阳、大连、青岛、天津、上海、南京、苏州、淮安、广州、香港等城市开通运营；据不完全统计，约有120个城市正在规划筹建现代有轨电车项目，总计约6000km现代有轨电车线路。
我国目前国内主要的有轨电车供应商及供电情况如表1所示。
4.2 发展趋势
超级电容的四大指标为容量、重量、可靠性和快速充电。未来的超级电容应该向更大电容、更小体积、更安全等方面发展，主要体现在：①未来更多的储能密度更高，能快速深度充放电的复合电极材料将被用在超级电容的电
图1 混合动力系统
图2 大功率充电设备结构示意图
（下转第176页）
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2.4.4 方法因素
包括施工组织设计、技术方案与工艺方法；方法是否合理，不仅影响养护质量还关系到投资和进度。
针对方法因素，可采用以下质量控制对策：
（1）所用方法应在技术先进、经济合理、科学适用的基础上利于质量、进度和成本的控制；
（2）做到主次分明，对于关键工序要进行重点保障。
2.4.5 环境因素
是技术环境、管理环境与劳动环境的总称，而且上一道工序还能为下一道工序提供好的环境。
针对环境因素，可采用以下质量控制对策：
（1）根据地域和季节做区别对待；
（2）现场应实现规范化、秩序化和标准化；
（3）建立动态监测与预警体系。3 结语
综上所述，质量控制是桥梁养护工作核心所在，其控制水平决定了最终的养护质量。本文分析了现阶段我国桥梁养护管理实际情况与存在的问题，提供桥梁养护质量控制经验与可行的做法。
参考文献：
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[3] 潘辉. 桥梁养护管理的现状及质量控制措施的探讨[J]. 黑
龙江科技信息，2016（11）：244.
[4] 张立朋. 桥梁养护管理的现状及质量控制措施的分析[J].
江西建材，2015（7）：165，170.
（编辑：刘学文）
（上接第167页）（上接第155页）
极活性材料上；②超级电容要具有更耐高电压值的电解液体系；③在保证连接结构稳定可靠的前提下，
尽可能的降低接触电阻；④优化设计能够在线实时监测电容单体运行状态并作出调整运行参数的电容管理系统，以此保证系统的可靠性与安全性；⑤针对特殊的气候环境，制定热天、雨天、雪天、风天等不同条件下的设施维护管理措施，加强对风险点的管控；⑥优化单体生产工艺，保证产品一致性等。一旦这些问题被解决，超级电容作为现代有轨电车的储能动力器件，可有效实现能量在牵引、制动过程中的循环转换与利用，高效实现系统节能，做到城市轨道交通在真正物理意义上的绿环保。参考文献：
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（编辑：钱宇宁）
表1 国内有轨电车概况
供应商技术来源车型无触网技术工程项目
北车大连机车厂AnsaldoBreda技术引进Sirio系列地面供电TRAMWA VE珠海、北京
南车南京浦镇厂Bombardiar技术引进Flexity系列电磁感应PRIMOVE+电池苏州、南京
南车株洲电力机车厂Siemens技术引进Combino系列超级电容广州、宁波
南车青岛四方厂Skoda技术引进Forcity系列超级电容青岛
北车唐山客车厂国外团队自主生产超级电容泉州、六盘水
北车长春客车厂
自主研发海豹、海狮系列超级电容沈阳
ALSTOM与上海轨发合作CITADIS系列第三轨APS暂无
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