超级电容公交车系统_的原理和_商盟I,模式探索

第2 9 卷第6 期 2 0 0 8 年1 2 月 能源技术 E N E R G YT E C H N O L O G Y V 6 L2 9N o 6 D e 己2 0 0 8 超级电容公交车系统的原理和商盟I ，模式探索 华黎 ( 上海奥威科技开发有限公司，上海2 0 1 2 0 3 ) 摘要：超级电容公交车系统是一种新颖的清洁环保的城市公交客运模式。非常适合固定线 路的城市公共交通运营。上海老城厢的1 1 路超级电容公交车系统商业示范线已成功开通2 年多， 在技术上和商业化运行等方面取得了一些经验。介绍了超级电容公交车系统的运行原理以及探索 创新了超级电容公交车系统商业模式，可供新能源车辆的推广和城市公交节能减排的可持续发展 作为借鉴。 关键词：超级电容器；超级电容公交车系统；公交节能减排；商业模式；可持续发展 中圈分类号：U 4 6 9 7 2文献标识码：B文章编号：1 0 0 5 - 7 4 3 9 2 0 0 8 ) 0 6 - 0 3 6 2 - 0 4 E 印l o r a t i 伽蚰t h eP I i 眦i p l eo fU l t r a c a p 北i t o rB 璐s y s t 锄a n dB 吣i n e $ M o d e I I U A U ( S h r l g h a i 胁e iT e c h 力o j o g y 脚e i o p I I 】tC o ，L 硝- s h a n g h a i2 0 1 2 0 3 。C h i m ) 城市的建设和发展离不开高效的城市交通，发 展公共交通事业，构筑一体化公共交通体系，是缓解 上海城市交通矛盾的关键，也是上海建设现代化国 际大都市的重要条件。目前上海拥有公共汽车 1 82 1 4 辆，公交线路总长度超过了2 2 万k m ，日均 载客人次达7 9 0 万人次，车辆配备数、线路总长度和 日均载客人次均为“世界第一”。上海所面临的能源 挑战和环保压力要求上海必须大力发展清洁、环保 的绿色公交。上海城市交通”十一五”规划纲要 中，明确提出积极发展低能耗、环保、舒适的新型公 交汽电车。 无轨电车在上海已有近1 0 0 年的历史，目前上 海无轨电车共计4 7 7 辆( 占公交车总量的2 6 ) ， 共1 5 条线路，总里程1 4 2k m ，承担全市总客运量的 8 9 ；无轨电车全部分布在上海繁华地段，为上海 的公共交通和城市空气质量的保护发挥了重要作 用，但由于种种原因上海的无轨电车正在不断地遭 到淘汰。近年来，随着能源短缺和环境污染问题的 日益突出，无轨电车在欧美许多著名城市掀起了“回 归”的热潮，当然这种回归不是回到以前落后技术的 基金项目：国家8 6 3 计划电动汽车重大专项资助项目 ( 2 0 0 6 从1 1 A 1 5 7 ) ；上海科技发明一等奖( 2 0 0 7 ) 3 6 2 电车，而是通过技术创新保持和发扬电车的各种优 点克服原来存在的各种缺点。采用超级电容器等先 进技术促进无轨电车的技术提升、功能完善，将是无 轨电车重新焕发青春的关键。 超级电容公交车系统由电容公交车和快速充电 候车站组成，采用超级电容储存的电能驱动车辆行 驶，超级电容在站台快速充电，充电候车站可以利用 无轨电车原整流网。由于超级电容具有较好的充放 电能力、较长的循环寿命和较高的安全性、可靠性， 使系统性价比较高，非常适合固定线路的城市公共 交通运营，是一种新颖的清洁环保的城市公交客运 模式。超级电容电动公交车充分利用了超级电容器 的独特性能，在保留无轨电车优点的同时，克服了无 轨电车机动性差、架空线景观污染的缺点，没有尾气 排放，机动性好，噪声低，能够进一步保护环境，减少 汽车尾气对大气环境的污染，提供没有二次污染的， 真正的零排放公共交通工具，实现十分显著的经济 效益和社会效益。上海老城厢1 1 路超级电容公交 车系统商业示范线开通已2 年多，至2 0 0 8 年底将完 成商业运营1 0 0 万k m ；经过两年多的商业化运营， 从车辆能耗、运行成本、维护保养、单车出勤等指标 的统计中可以发现可观的经济效益；1 1 路电容公交 万方数据 华黎；超级电容公交车系统的原理和商业模式探索 车正常运行每1k m 的平均消耗电能o 9 8k w h ，制 动再生装置每1 0 0k m 可回收电能1 8 8 1k W h ，如 果上海每天有1 0 0 0 个公交营运班次使用电容公交 车，那么每年仅此项就可节电8 2 3 8 7 万k W h ，折合 标煤2 8 1 8t ；还可以大大改善城市的大气环境质量 和无轨电车架空电线造成的景观污染。 本文将介绍超级电容公交车系统的超级电容公 交车系统的工作原理；另一方面上海超级电容公交 车系统研制生产示范推广工作得益于合理的商业化 模式，本文还将总结和进一步探索超级电容电动公 交车的商业模式，希望对城市公交推广新能源车辆 走节能减排的可持续发展之路有参考作用。 1 超级电容器 超级电容器( S u p e rc a p a c i t o r ) 是一种具有大容 量、高功率的新型储能器件，上世纪6 0 年代国内外 开始进行基础研究，直到最近1 0 年才取得了突破性 进展，因其突出的技术性能，目前在欧洲、美国、日 本、韩国已经开始形成新兴的储能器件产业。 超级电容器主要包括双电层电容器( E l e c t r i c D o u b l eL a y e rC a p a c i t o r s ) 和电化学电容器( E l e c t r o c h e m e i c a lc a p a c i t o r s ) 两种类型。双电层超级电容 器利用多孔电极( 由高性能活性炭制成) 、电解质和 复合隔膜组成双电层结构，获得超大的电荷容量，其 结构原理见图l 。两端施加电压后两个相对的多孔 电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负 离子在电场作用下分别聚集到与正负极板相对的界 面上形成两个集电层，相当于两个电容器串联。 图1 双电层电容器结构原理图 作为电极的高性能活性碳材料具有大于 20 0 0 砰g 的超高比表面积，因此电容器具有极大的 电极面积，同时电解液与多孔电极间的界面距离不到 1m ，因此超级电容器具有极小的介质厚度，这种双 电层电容器比容量也就非常大，通常可以是一般电容 器l o o 倍以上，制成的电容器电容量可达到1 0 万F 以上，使大功率储能成为可能。不过双电层电容器充 电后的能量密度一般只有2 3W h k g ，不能满足比 较大的用电设备的动力需求。 电化学电容器是另一种超级电容器，电容器正 极改用镍电极( 见图2 ) ，负极仍然采用碳电极，电容 器在充电时会伴随电化学反应，充电后的能量密度 可以达到1 0W h k g 以上。电容器的比容量超过传 统电容器的1 0 0 0 倍以上，在O 8d m 3 的体积内就能 够达到1 0k F 以上的容量，可以取代蓄电池成为一 种性能较佳的动力电源，而且与电池相比具有一系 列的优点例如充电速度快，充电时间在1 01 1 1 i n 内最 快仅1 0s 就可达到额定容量的9 5 以上；循环寿命 长，充放电循环使用次数最多可达5 0 万次；转换效 率高，充放电过程损失小，大电流能量循环效率大于 9 0 ；功率密度大，可达50 0 0W k g ，相当于铅酸电 池、镍氢电池、锂离子电池的5 1 0 倍；产品无污染， 原材料构成、生产、使用、储存或者拆解过程均没有 污染；安全系数高，性能稳定，长期使用免维护；低温 特性好，工作于摄氏零下4 0 的环境中；检测极方 便，剩余电量计量可直接读出。所以，混合型结构超 级电容器能满足车辆对高频率、大强度、高循环次 数、并符合环保要求的动力电源的需求，在储能领域 有着极好的发展前景。 图2 混合型超级电容器结构原理图 2 超级电容公交车系统 超级电容公交车系统由电容公交车和快速充电 站组成：车辆动力系统与双源无轨电车相似，电动机 和辅助运行设备的电源采用超级电容器储存的电能 ( 见图3 ) ；快速充电候车站利用无轨电车原直流镇 流网或使用电力交流电网电源，经过降压( 或升压) 、 整流后，为电容公交车提供充电电源。在车辆停靠 站时，通过车载快速充电器，利用乘客上下车的几十 秒时间即可补充到电能供车辆持续运行，非常适合 固定线路的城市公共交通运行。 3 6 3 万方数据 华黎：超级电容公交车系统的原理和商业模式探索 图3 超级电容公交车系统工作原理图 3 超级电容公交车系统技术参数 3 1 电容公交车 电容公交车的车长为1 20 0 0m m ，车宽 25 0 0m m ，车高33 8 0m m ；公交车最大总质量1 6t ， 最高车速大于5 0k n h ，起步加速度大于1 2r n s 2 ， 电制动采用恒转矩制动方式动能再生发电回收；制动 减速度大于1 2n s 2 ；一次充电( 充电电流2 0 0A ) 充 电时间小于1 5r n 访；连续行驶里程超过5k m ；最大 电耗为O 9 8W h k m ；最大爬坡度大于1 2 。 交流牵引变频电机的额定功率7 5k w ，最大功 1 5 0k W ，额定转矩6 4 0N m ，最大转矩12 8 0N m ， 额定转速l1 2 0r m i n ，最高转速3o o Or m i n 。 变频器控制器的工作电压直流6 0 0V ，额定输 出电流1 8 6A ，最大输出电流2 6 0A ，频率变化范围 O 2 0 0H z 。电容器的工作电压范围6 0 0 3 6 0V ， 储存能量4 8k W h ，最大充放电电流3 0 0A 。 剪式受电弓采用双极受电模式，额定工作电压 6 0 0V ，额定电流2 0 0A ，最大电流4 0 0A ，工作高度 ( 柔性) l3 0 0 15 0 0m m 。 3 2 快速充电候车站( 无电车线网配制) 主变压器输入采用三相四线制，1 0k V ；输出六 相，3 8 0V ；采用地面箱变或地埋箱变形式安装。整 流器采用十二脉整流，整流后输出直流电压6 0 0 6 8 0V ，最大输出电流2 5 0A ，架空触线排离地净高 度4 5 4 6m 。快速充电候车站的设计，可以根据 街道、场馆等的风貌，进行与之相匹配的景观性设 计，以突出城市景观效应，在设计时可以融人人性化 的理念和文化元素。 3 3 超级电容公交车电容组件 ， 电容组件的工作电压3 4 0 6 0 0V ，浪涌电压 ( 短时冲击电压) 6 1 0V ，静电容量2 0 0F ( 士2 0 ) ， 储存能量48 0 0W h ，额定功率1 0 0k w ，峰值功率 1 8 0k W ，内阻o 2 5Q 。电容组件的重量9 0 0k g ，采 3 6 4 用温度管理、故障报警，使用寿命5 年。 4 超级电容公交车系统的设计和运行 4 1 线路选择及设计原则 超级电容公交车运营线路要求客流稳定、道路 相对平坦、站台相对独立，全线不宜大于1 2k m ，为 了保证供电相邻整流站的距离一般为3 3 5k m ， 线路距维修停车场路程不宜超过5k m ，大于5k m 应增加中途充电站。把原有的无轨电车线路改造为 超级电容公交车线路，可以充分利用供电整流资源， 减少建站的投资成本；原无轨电车线路已经改为燃 油公交线路的，也可利用闲置的供电资源建站建线。 新的生态居住小区和卫星城区的环保型公交线路是 超级电容公交车线路的最佳选择。 4 2 基本运行方式 超级电容公交车在起讫候车站利用车载集电弓 从6 0 0V 2 0 0A 直流电源引入电流，通过大功率充 电器对超级电容器组进行充电，充电时间约1 8 0s ； 根据发车频率，讫候车站的停车充电车位一般要求 设置二个以上车位。超级电容公交车在中途充电候 车站停留时利用停车上下客的间隙进行充电，充电 时间一般在3 0s 以内；充电车位一般设置一个车位 即可满足运行需求；如果运行线路小于1 2k m ，充电 候车站的间距一般设置为o 8 1 ok m ，符合城市 公交的定站规律。对一些全线在2k m 以内的客运 专线，可以不设中途充电站。 4 3 容量配制及充放电时间 电容公交车整车电容系统储能： w = C ( 崛一瞻) 2 设充电电流为J ，充电时间为f ，充电效率为刁，电容 系统的平均电压为U 平，则有： = U 平卸 设整车电容内阻为R ，则容量与充电时间的关系： u 平豇呀= c ( u 始一碾) 2 一嘬) 2 ( 1 ) 以4 0 0 个2 0 0F 超级电容器单体串联的8 0k F 电容公交车为例，电容系统的平均电压U 平取 4 9 0V ，充电效率叩取o 9 ，并假设运行前后的电容 器电压U 始和和U 终分别为6 0 0V 和3 6 0V ；4 0 0 个 内阻为o 0 0 05Q 的电容器串联后总内阻为O 2Q 。 将这些数据代人式( 1 ) 整理后可以得到： 4 4 1 忍= ( 6 0 0 一0 2 J ) 2 3 6 0 2 所以如果充电电流为I 为2 5 0A ，可算出充电 时间为1 5 7s ；充电电流1 分别为2 0 0A 和1 5 0A 万方数据 华黎：超级电容公交车系统的原理和商业模式探索 时，对应的充电时间分别为2 0 9s 和2 9 6s 。 上述充电时间的计算是假定将电容从3 6 0V 充 到6 0 0V 所需要的时间，但在实际运营中电容往往 充不到6 0 0V ，进入充电站时电容电压一般也会超 过3 6 0V ，因此在实际运行时充电时间可能更短。 5 超级电容公交车系统运行的商业模式 从2 0 0 2 年开始，上海开始实施“节能减排、节能 降耗”的交通节能关键技术攻关布局。公交企业在 上海市政府的支持下，结合上海城市建设和道路状 况对新型无轨电车脱线运行进行了研究开发，超级 电容公交车系统经过6 年3 轮的技术开发与完善， 包括张江高科技园区试验线2 年5 万k m 的试验运 行以及3 辆超级电容公交车在新国际博览中心 磁悬浮线7 个多月的共5 万k m 的试运行，证明了 超级电容公交车的可靠性和安全性完全符合实际运 行的要求，达到了实用化水平。 2 0 0 6 年8 月，在上海老城厢1 1 路开通了世界 上第一条超级电容公交车商业示范线，截至2 0 0 8 年 8 月共投入1 7 台车，运行8 8 万k m ，载客4 3 0 万人 次；预计2 0 0 8 年底运行将超过1 0 0 万k m 。目前上 海正在进行超级电容公交车规模化推广规划，未来 几年将有多条线路开通超级电容公交车，更多更好 的超级电容公交车将出现在上海中心城区和繁华路 段。高等级低地板“申科号”超级电容车( 图4 ) 已成 为2 0 l O 年上海“世博会”交通的首选方案。 图4 世博会高等级低地板“申科号”超级电容公交车 超级电容车的研发、制造成本较高投入大，虽然 今后规模化生产成本可以降低，但是最初产品的价 格会较高，如果要求公交企业全额购买，经济上有很 大困难。但是超级电容公交车的节能减排是一种社 会公益，政府必须在规模化推广工作中发挥作用，牵 头组织相关部门和企业共同参加研发生产和示范、 推广，把超级电容公交车发展成为一条产业链，是今 后超级电容车商业化发展的方向。 5 1 制造过程的商业模式 政府引领创造市场，示范期间由地方政府对研 制超级电容公交车整车及关键零部件的企业给予资 金补贴，首批线路用车采用政府采购的方法交给公 交企业先行先试。在打开市场需求增加形成批量生 产后，再启动规模化推广项目逐步减少补贴，不断推 进规模化推广应用。 5 2 采购过程的商业模式 在进入规模化推广应用后，公交企业根据同类 型的公交车基本车价购买超级电容公交车；整车及 关键零部件企业适当让利，缺口部分由交通主管部 门设立的新能源高等级车辆推广专项基金和科技主 管部门的研发经费进行消化。 5 3 使用过程的商业模式 由政府主管部门制定优惠政策，超级电容公交 车新车享受车辆购置税l o 的补贴，上牌后减少养 路费和附加费的征收，使企业能够买得起、用得起， 调动公交企业的积极性。同时政府可以督促生产企 业延长三包服务时间，政府向关键零部件企业购买 7 年售后服务，确保公交企业享受专业技术服务没 有后顾之忧。 5 4 充电站建设的商业模式 采用超级电容公交车替代在运的无轨电车，只 要适当改造乘车站和站台上空的馈线就可以完成一 个充电站的基础设施建设，这样不但可以减少供电 建设投入，而且可以撤掉现有空中网线消除其对城 市景观的污染，并且减少繁杂电网维护降低公交运 营的成本。超级电容公交车在大客流的闹市区运 行，充电站建设或者改造应该结合政府的网线入地 改造规划建设进行，由政府城市建设基金出资改造。 站点的建设，可以充分利用快速充电候车站的广告 优势，通过招标入围的方法由广告公司承担部分建 设费用，形成多赢的局面，节能减排的成果也因此实 现了市场化。 5 5 标准化建设的支持模式 超级电容公交车进入商业化示范运营后，由政 府主管部门着手组织标准化建设，及时做好后续支 持工作。目前上海市城市建设交通委专门成立了超 级电容公交车推广应用项目组，研究制定导向政策， 科委牵头通过整车、零部件企业制定了超级电容公 交车企业标准、超级电容公交车供电标准、超级 电容公交车使用维护保养手册，上海市城市交通局 ( 下转第3 7 0 页) 3 6 5 万方数据 王涛等：新型材料在太阳能热电联用中的应用 6 2 0m W ，而空白电池板的最大输出功率为 7 0 1n 1 W ，两者的比值为o 8 6 。纳米流体在可见光 波段的透射率越高，对红外的吸收率越高，在保证最 大输出功率的同时还降低了电池的工作温度，电池 板的光电性能将会更好。如果通过循环把流体吸收 的热量使用起来，可以实现光热、光电的综合利用。 参考文献： 1 T r i p a “童g n o s t o p o u l o sY ：A s p e c t sa n di I I l p 】D 训m 1 t s h y b d dp h o t o v o l t a i c t h e r f r m l l a r 戗把r g ys y s t e m s J S o l a rE r 嘲g y ，2 0 0 7 ( 8 1 ) ：1 1 1 7 1 1 3 1 2 C ： l a m l 蜘b o u sPG ，M a i d I I 嫩l tGG P h 0 幻w o l t a i c t h e m l a l ( P 、厂T ) c o l l e c t o r s ：Av i e w J A p p h e d T h e m l a lE I l g i r l e e r i r l g ，2 0 0 7 ( 2 7 ) ：2 7 5 2 8 6 3 mH e l d 朗wGJ ，mz o l i I l g e nRJc 。z o r l d a gH AP Vt h e m l a ls y s t e m s ；P Vp a I I e l ss u p p l y h l gr e w a b l ee l e c 伍c i 够a n dh e a t D P r o g r 鹤si nP h o t o v o l t a i c s ： R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o l l s ，2 0 0 4 ( 1 2 ) ：4 1 5 - 4 2 6 4 J iJ ，L u J P ，C l o w T T ，e ta 1 As e 璐i t i v i t ys t u d y o f a h y b r i dp h o t o v 0 1 t a i c m e n I l a lw a t e r h e a t i I 】gs y s t e mw i d l 图1 0 空白电池板开路电压随温度变化拟合曲线彻t u r 8 1c 砬1 1 1 a t i o n J A p p l i e dE 梳F g y ，2 0 0 7 ( 8 4 ) ： 鎏竺譬坚了噔阳冀型，堡型挚苎翌篓竺翟掣 5 茹；太阳能电池输出特性的研究 J 大学物理， 强度也变小，而最大功率和入射到电池板的可见光 。n n 7 。：j 。； 。 强度是基本成正比的。电池板表面温度