有轨电车不同制式储能系统对比分析

范晓云，潘文海，薛 川

（广州有轨电车有限责任公司，广州 510308）

1 研究背景

在“碳达峰、碳中和”的目标背景下，节能产品迎来了前所未有的发展机遇。有轨电车通过加装车载储能系统或地面储能系统，可以充分利用列车制动能量，提升能量管理利用效率，有助于提升车辆的节能化和智能化水平，同时可以减少架空接触网，达到美化城市景观和减少建设运营成本的效果。随着储能技术的不断发展，超级电容及锂离子电池等多种储能系统已逐步应用于有轨电车领域[1-2]。

为满足有轨电车应用需求，储能系统需要满足功率密度高、能量密度高、维护简单、全寿命周期成本低等特点[3]。在多种储能元件中，超级电容具有功率密度高、充放电速度快、温度适应范围宽、循环次数多等优点，在有轨电车车载储能系统中有较多应用。但由于超级电容能量密度低，往往需要每站充电，充电装置配套成本较高。而锂离子电池能量密度较高，且随着温度适应性及安全性的优化提升，也逐步应用于有轨电车储能系统，与超级电容形成了优势互补，在保障系统功率特性的同时提升了续航能力[4-5]。此外，电池电容兼具了超级电容器快速充放电、长循环寿命和电池高容量的特点，有望在有轨电车储能系统中得到进一步的推广应用[6]。

广州海珠有轨电车试验段作为国际首条投入载客运营的超级电容储能式现代有轨电车项目，在乘客出行体验、节能环保、城市景观提升等方面都具有里程碑式的示范意义。后续采用该超级电容式储能的有轨电车相继在武汉汉阳、淮安、深圳等地投入运营，运营里程达56.2 km，是应用最广泛的储能式技术方案。武汉东湖、三亚、嘉兴等地的有轨电车则采用了电池电容的技术方案，兼顾了超级电容与锂电池的技术特性，也是应用较为广泛的一种形式。近年新开通的广州黄埔和德令哈有轨电车则采用了超级电容与钛酸锂电池混合式储能系统，是在超级电容式储能方案基础上的一种新尝试。

笔者基于广州海珠试验段、广州黄埔1 号线及三亚有轨电车项目的建设及商业运营经验，总结对比3 种储能制式在性能特点、设备运用可靠性、运营维护重难点及维护成本等方面的差异性，以期为后续新建有轨电车项目车辆储能系统的选型提供技术支撑和参考依据。

2 储能系统制式及工作原理

2.1 超级电容式储能系统

超级电容又称电化学电容器，是介于电池与电容器之间的新型物理储能器件，具有绿色环保、低内阻、充放电效率高以及长寿命等特性，通过电极表面与电解液间形成双电层储存能量，主要的电极材料为多孔活性炭。充电时，电解质表面的电荷在一定的电压下，被双电层电荷产生的电场拉到靠近它且极性相反的电极上，形成稳定的双电荷层；放电时，正、负电极上的电荷漂移在外电路形成电流，具体工作原理如图1所示[7]。

图1 双电层电容器的工作原理 Figure 1 Working principle of the electric double layer capacitor

由于超级电容器单体工作电压不高，因此，为满足储能式有轨电车对储能容量及电压等级的要求，超级电容系统需采用多个超级电容以单体串、并联方式构成[8]。

广州海珠试验段有轨电车采用4 模块编组形式，包括3 节动力模块和1 节非动力模块。整车配备3 个储能电源箱，分别安装在2 节头车动力模块和1 节非动力模块上。储能系统内超级电容的单体规格为7 500 F，整个系统主要由超级电容模组、主控模块(包含主控单元、辅控单元和模组间的电压均衡单元)、采样控制单元、熔断器、电压及电流传感器和散热风扇等设备构成，如图2 所示。系统工作电压范围为500～900 V，额定电流600 A，在充满电的工况下可用储能电量约10 kW·h[2]。

图2 广州海珠试验段有轨电车超级电容储能系统 Figure 2 Supercapacitor energy storage system of trams in Guangzhou Haizhu Test Section

2.2 超级电容与钛酸锂电池混合式储能系统

为弥补超级电容储能系统能量密度较低的问题，广州黄埔1 号线有轨电车采用了超级电容与钛酸锂电池共同参与供电的储能制式。其中，超级电容作为车辆运行期间的主要储能设备，在能量不足时，通过钛酸锂电池进行补充，钛酸锂电池与高压母线之间通过双向DC/DC 变换器来实现接通和关断。

锂离子电池实际上是一种浓差电池：充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入到负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，工作原理如图3 所示[9]。钛酸锂电池即负极采用钛酸锂材料的锂离子电池，与碳材料负极电池相比，具有循环寿命长、倍率性能好、低温特性好、安全性高的特点[10]。

图3 锂离子电池的工作原理 Figure 3 Working principle of the lithium-ion battery

广州黄埔1 号线有轨电车同样采用4 模块编组形式，包括3 节动力模块和1 节非动力模块。在2 节头车动力模块和1 节非动力模块上，各安装1 个超级电容储能电源箱。该超级电容储能系统为广州海珠试验段有轨电车储能系统升级版，内部超级电容单体规格为9 500 F，系统结构类似，工作电压范围为500～900 V，额定电流600 A，可储能电量约12.9 kW·h。此外，车辆中间的动力模块配置了钛酸锂电池储能电源箱，内部单体规格为25 A·h/2.35 V，电池系统工作电压范围为360～477 V，额定电流300 A，可储能电量约33.8 kW·h。在充满电的工况下，整车总储能电量约为46.7 kW·h。

与单纯超级电容系统相比，超级电容与钛酸锂电池混合式储能系统的供电策略更为复杂。在车辆到达车站后，受电器从接触线取电，并优先为超级电容系统充电，电量达到设定阈值后控制双向DC/DC装置开通，继续给钛酸锂电池充电；在车辆运行过程中，当超级电容电压低于设定的阈值时，由钛酸锂电池通过双向DC/DC 接入高压母线，并为超级电容补电，进而满足车辆运营的电量需求，供电原理如图4所示。

图4 超级电容与钛酸锂电池混合式储能系统的供电原理 Figure 4 Schematic diagram of power supply for hybrid energy storage system with supercapacitor and lithium titanate battery

2.3 电池电容式储能系统

电池电容是一种介于超级电容器和锂离子电池之间的电化学储能器件，具有低电阻、高能量密度、快速充放电、循环寿命长等优点，该种电容器的正极主要采用双电层储能，负极采用可实现大倍率充放电快速脱嵌锂离子储能的技术路线，通过电化学混合电极材料，在一个电解池中实现锂离子电池和超级电容器的原理和技术的结合，使其在保持超级电容器高比功率、长寿命和快速充电特性的同时，大幅度提高比能量，工作原理如图5 所示[11]。

图5 电池电容器工作原理 Figure 5 Working principle of the battery capacitor

三亚有轨电车采用5 模块编组形式，包括2 节动力模块，1 节非动力模块以及2 节悬浮模块。车辆配备一大一小2 个电池电容储能电源箱，分别安装在MC1 和MC2 车顶部。电源箱内模组标称容量为9 300 F，构成大电容箱额定电流为300 A，小电容箱额定电流为200 A。储能系统工作电压范围为616～820 V，充满电后有效储存电量约为47.6 kW·h。

2.4 3 种储能系统制式技术参数对比

综上所述，广州海珠试验段、广州黄埔1 号线以及三亚有轨电车3 个项目采用了3 种不同的储能系统制式，对比各项目的车辆主要能耗参数及各储能系统的关键技术参数，如表1、2 所示。

表1 3 条线路车辆能耗参数的对比 Table 1 Comparison of technical parameters of three project trams

表2 3 种储能系统技术参数的对比 Table 2 Comparison of technical parameters of three energy storage systems

3 储能系统运用维护及可靠性分析

3.1 运用维护过程难点分析

3.1.1 超级电容式储能系统

由于低地板车辆设备布置空间有限，只能采取紧凑型的设计。海珠试验段有轨电车储能电源箱体内超级电容的安装设计为上下2 层，其中1～22 模组在下层、23～43 模组在上层。在日常检查和维护时，需要先将上层模组拆下，才能对下层模组及电容单体、联接铜排、均衡单元、线缆等设备进行检查维护，下层模组维护和检修难度较大。另外，超级电容系统无法设置手动断电隔离开关，每次进行车顶检修作业时，需将超级电容的剩余电量完全放空，作业完毕后再进行充电，一次充放电耗时约1 h，对检修作业的效率造成一定的影响。

3.1.2 超级电容与钛酸锂电池混合式储能系统

1) 对超级电容储能系统而言，黄埔1 号线超级电容系统布置与海珠试验段情况类似，下层模组检查难度和维护复杂度较高，车顶检修作业需要充放电操作，影响效率。此外，超级电容紧急放电接口在箱体顶部，作业人员需要爬梯，并要站在超级电容箱的盖板上进行操作，存在一定的安全隐患，需要加强对作业人员的安全操作培训，在保证其正确穿戴绝缘防护用具后才能开展作业。

2) 对钛酸锂电池系统而言，日常维护时读取钛酸锂电池的内部历史数据，需要到车顶取出箱体内的内存卡读取，作业较为不便。此外，由于锂电池电量无法完全放空，在车顶作业前必须拔下电池箱外部的两个维护开关，这同样需要加强人员作业的安全培训和管控。

3.1.3 电池电容式储能系统

由于电池电容自放电等因素，导致系统内部存在一致性差异。因此，三亚有轨电车储能系统在投入使用期间或封存过程中，需定期进行系统压差检查，当压差超过限值，应启动均衡系统，直至压差恢复至限值内。此外，电池电容与锂电池具有相似的电化学特性，电量无法完全放空，在进行放电作业时，需要通过隔离开关切断供电回路，并降低系统电压，其安全操作风险与钛酸锂电池相似。

3.2 车辆储能系统可靠性分析

3.2.1 超级电容式储能系统

海珠试验段作为全球第一个运用超级电容作为储能介质的有轨电车项目，于2014 年12 月开通运营，共配属7 列车。项目开通初期储能系统故障率稍高，在完成均衡单元换型整改后，自2016 年开始故障率大幅下降，近年来设备表现已进入稳定期。近5 年的正线故障率在0.18～0.28 次/(列·万公里)之间，可靠性得到了充分证明。

3.2.2 超级电容与钛酸锂电池混合式储能系统

作为混合供电系统的项目，广州黄埔有轨电车1 号线在国内第一个运用超级电容和钛酸锂电池。该项目于2020 年7 月开通首通段，2020 年底全线开通，共配属16 列车。超级电容和钛酸锂电池的能力分配策略，给产品的设计选型、调试验证及日常维护方面带来了挑战。车辆运营初期故障率较高，尤其是双向DC/DC 变换器的软件、硬件调试以及混合供电策略的制定等各方面均需要调试磨合。随着对系统问题的持续调查和分析，主要问题都已经得到有效解决，目前该混合供电系统的整体表现稳定。近半年的正线故障率约为0.31 次/(列·万公里)，逐渐接近于海珠线的故障率。

3.2.3 电池电容式储能系统

三亚有轨电车示范线项目于2020 年10 月开通运营，共配属11 列车，期间电池电容式储能系统共发生24 起故障。其中，故障率较高的是储能模块和子节点，故障原因主要是电容单体存在压差，现已通过技术改进得到解决。目前，储能系统整体表现稳定，近一年正线故障率约为0.25 次/(列·万公里)。

4 储能系统使用寿命及成本分析

4.1 储能系统的寿命预测

4.1.1 超级电容式储能系统

在海珠试验段有轨电车运行期间，项目团队持续组织对超级电容模组衰退情况进行跟踪检测，过程中抽选6 组超级电容，测试并统计其容量和内阻的变化情况，结果如图6、7 所示。

图6 电容容量的变化 Figure 6 Capacitance variation of a capacitor

图7 电容内阻的变化 Figure 7 Internal resistance variation of a capacitor

在跟踪期6 年内，被测超级电容的容量平均值为1 732.7 F，容量衰减比值的平均值为7.59%(标称值为1 875 F)，内阻平均值为1.283 mΩ(标称内阻≤1.3 mΩ)。整车设计规范规定，储能系统寿命终止条件为，容量衰减20%，内阻升高到200%，根据运营6 年间测试结果统计及拟合预测分析，超级电容储能系统可以满足10 年设计使用寿命。

4.1.2 超级电容与钛酸锂电池混合式储能系统

广州黄埔1号线有轨电车所用超级电容系统为海珠试验段有轨电车储能系统的升级版，其单体工作原理和结构特性与海珠试验段的有轨电车类似，根据海珠线有轨电车超级电容储能系统衰退测试结果的类比推测，广州黄埔1 号线有轨电车储能系统的超级电容部分，可以满足10 年设计使用需求。为分析混合储能系统的综合使用寿命，广州黄埔1 号线有轨电车在投入初期运营1 年后，项目团队组织对钛酸锂电池模组返厂进行了容量抽样检测，测试结果如表3 所示。

表3 电池模组容量衰退结果 Table 3 Capacity decay of battery module

根据测试结果可以发现，运营1 年后，钛酸锂电池模组的容量变化在1%左右，表明有轨电车运行工况造成的电池衰退极小，再结合钛酸锂电池寿命特性预测分析，证明钛酸锂电池系统可以满足10 年设计使用寿命(容量满足大于出厂测试标称容量的80%)。

4.1.3 电池电容式储能系统

为评估的三亚有轨电车电池电容储能系统的性能衰减情况，项目团队选取运营公里数较多的T01 车随机抽取6 个模组，采用与出厂性能检测相同的方法重新进行标定测试，结果如表4 所示。

表4 电池型超级电容模组衰退结果 Table 4 Decline of the hybrid supercapacitor module

经测试，三亚有轨电车储能模组的容量保持率基本维持在95%左右，内阻变化在120%～135%之间，目前可满足设计要求。从衰减情况看，电池电容明显大于超级电容，是否能满足10 年设计寿命还需继续观察。

从上述各制式储能系统的衰减评估情况看，在整车一个寿命期30 年内，超级电容、钛酸锂电池均需要更新2 次，电池电容需要更换2～3 次。超级电容与钛酸锂电池相配合的混合供电系统，因多增加了一套双向DC/DC 变换器，在整车寿命期内，双向DC/DC 变换器需更新一次，所以整个系统的全寿命周期的更新成本会相应增加。

4.2 供电系统的对比分析

与传统接触网有轨电车相比，储能式有轨电车因为列车自带储能的先天优势，对地面供电系统的依赖性有所降低。地面任一充电站故障，列车可利用自身储能，越站通过到下一站充电，保持运营服务不变，这也是储能式有轨电车供电系统的设计原则之一。

3 条线路的地面供电系统对比如表5 所示。在3条线路中，广州海珠试验段列车的储存电量不多，因此在该项目每个车站均设置了充电站。降压变电所和充电站合并设置，系统设计简洁，区间电缆较少。黄埔1 号线以海珠线为基础，列车储能仍以超级电容为主，在部分距离较短的车站不设置充电站，使充电站数量有所降低。

表5 3 种线路的地面供电系统对比 Table 5 Comparison of ground power supply system of three lines

三亚有轨电车车辆的电池电容储能最多，采用了浅充浅放策略，有利于延长电池电容寿命，并减少在终点站充电等待时间，也设置了10 个充电站，充电站和车站的比例与黄埔1 号线相当。降压变电所集中设置，需要大量的电缆连接变电所、充电站和车站，全线电缆敷设量大，提高了造价也增加了维护量。

由此可见，充电站数量与车载电量密切相关，混合式储能和电池电容式储能系统均减少了1/3 的充电站。另外，值得注意的是，三亚有轨电车的供电系统采用传统接触网供电系统的设计思路，交流AC10 kV和直流1 500 V 均分别采用单母线分段方案，系统冗余度更高。但是，对于储能式列车来说，储能系统是冗余度较高的设计，均具备满足正常运营2～3 个甚至更多充电区间的能力，因此适当简化供电系统，将是以后储能式有轨电车工程的一个发展方向。

5 不同制式储能系统的综合对比

以广州海珠试验段有轨电车、黄埔1 号线有轨电车及三亚有轨电车3 个项目为研究对象，对不同制式的储能系统进行对比分析，可以得出以下结论：

1) 从可靠性角度分析，广州海珠试验段有轨电车储能系统经过7 年的运用考核，设备仅在初期磨合阶段故障率较高，后来逐渐趋于稳定，且同类超级电容产品在深圳龙华、江苏淮安运用的时间均较长，可靠性已得到充分的验证；黄埔1 号线有轨电车采用混合供电系统，由于是国内第一次运用，运营至今约一年半时间，故障率稍高，已采取了相关的技术改进，使现有的问题得以解决，后续的表现仍有待于进一步跟踪评估；三亚有轨电车电池电容储能系统，在运用初期个别设备存在故障率较高的情况，但磨合期过后整体上表现稳定。

2) 从可维护性的角度分析，因低地板有轨电车的车顶空间限制，模组均为层叠摆放，下层模组的维护都是难点。此外，黄埔1 号线有轨电车钛酸锂电池、三亚有轨电车电池电容的电量无法放空，检修时需增加一步切断高压回路的操作，对检修维护人员的安全操作管控和培训显得尤为重要。

3) 从全寿命周期设备维护成本角度分析，超级电容衰减情况稳定可靠，全寿命周期内更换2 次即可。电池电容的衰减相比超级电容的衰减要大，全寿命周期内需更换2～3 次，具体寿命情况仍需保持跟踪。在储能器件能够满足设计寿命的前提下，超级电容与钛酸锂电池混合供电系统需增加双向DC/DC 变换器的定期更新成本。此外，产品寿命到期更新时可能存在技术的升级迭代，后续有待于结合产品的实际寿命情况及行业技术动态做进一步评估。

6 总结与展望

在新线设计以节能减排和节约建设投资为原则的大趋势下，有轨电车对车辆储能系统的续航能力有着更高的要求，但储能产品的选用除了要尽可能兼顾高能量密度与高功率密度外，也需要考虑产品运用的安全性、可靠性和日常运营维护的成本。通过对3 条线路不同制式储能系统的对比分析，从设备运用可靠性和运营设备管理难度的角度来看，单一制式的超级电容或电池电容储能系统比混合储能系统要更具优势；但受制于超级电容的技术特性及车顶设备的布置空间，超级电容系统的长续航能力仍有待提高，相比之下电池电容及混合供电系统具备更优的续航能力。从地面供电系统建设成本方面看，混合供电系统成本最低，但在全寿命周期维护成本方面，还需要动态评估整个寿命期内各制式储能系统的容量衰减情况及行业发展情况，然后再进行深入的对比分析。

综上所述，在新线项目设计调研的初期，项目团队需要综合建设投资、产品运用可靠性、可维护性及全寿命周期成本等多个因素，进行严谨细致的评估考量，选择相对合适的储能系统制式。此外，建议新线路增加车辆储能系统的远程监控和数据跟踪分析功能，为储能系统状态评估积累历史数据，并持续跟踪车辆储能系统行业动态和技术革新的进展，为后续车

辆储能系统制式选择提供更多的技术支撑和依据。