氢能源与超级电容在现代有轨电车的应用

魏调忠

（佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

随着国家城市化进程的加快，各地方城市人口呈逐步上升的趋势，人口的流动及道路车辆的增多，进一步加剧了城市交通的拥挤和环境的污染。现代有轨电车是一种中低运量的城市公共交通工具，具有建设周期短，综合造价和运营成本相对地铁低、无需独立路权等特点，受到各大中小城市的青睐[1]。其中，储能式有轨电车有效解决了电车系统需沿途架设接触网供电的传统方式，得到了广泛地应用[2-3]。现代有轨电车供电方式如图1所示。

图1 现代有轨电车供电方式

储能式供电设备以超级电容最为常见，但随着新能源技术的不断发展，氢燃料电池也逐步进入轨道交通领域。特别是高明氢能源有轨电车的开通运营，为储能式设备提供了新的样本。氢能源是一种二次能源，与超级电容存在较大的差异，其技术原理、系统结构以及在有轨电车的运营表现均有不同的特点，对比分析这两类典型的储能式设备在有轨电车应用上的表现，为氢能源在有轨电车的应用与改进提供参考。

1 超级电容在有轨电车的应用

1.1 超级电容

超级电容器，又被称作双电层电容器，是在20世纪60年代发展起来的一种基于新材料和新工艺的新型储能装置，通过利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构来获得超大的容量，通过电荷在电极表面的分离来储能，其电极上不发生法拉第反应。其既具备电容器快速充放电的特性，同时又具备电池的储能特性，并且能提供比物理电容器更高的能量密度、比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命。

基于有轨电车启动频繁、电流量大的特点，超级电容作为独立的车载储能设备可以较好地满足有轨电车的运行需求。目前，利用超级电容作为储能装置进行独立供电的有轨电车已经在广州、深圳、武汉、淮安等地的多条线路上被较为广泛地应用。

1.2 超级电容供电系统结构

如图2 所示，采用超级电容作为储能元件的储能式现代有轨电车，其供电系统结构主要由车顶受电器系统、超级电容系统等组成。其中，车顶受电器一般采用单臂式轻型受电器，车辆在行驶过程中，受电器一直处于升起状态，当车辆进入站场区域，受电器与供电轨接触，从供电轨上集取电流，利用短暂的列车停站时间为超级电容快速补充电能。

图2 超级电容供电系统结构示意图

2 氢能源在有轨电车的应用

2.1 氢能源

氢能源是指氢和氧进行化学反应所释放出的化学能，是一种清洁的二次能源，具有来源广、燃烧热值高、能量密度大、可储存、可再生、可电可燃、零污染、零碳排等优点。通过利用氢燃料电池，把氢气与氧气结合产生的化学能转化为电能，可实现把持续供给的氢气连续不断地直接转化为电能。氢能源及燃料电池是目前能源技术革命的重点方向之一。

2002 年 ， Vehicle Projects LLC 公 司 和 Fuel Cell Propulsion协会共同开发了氢燃料电池在轨道交通中的应用[4]。在有轨电车方面，于2019年底开通的高明有轨电车是商业运营的氢能源有轨电车。目前，佛山南海区、成都新都区等地亦在规划氢能源有轨电车线路。

2.2 氢动力系统结构

高明氢能源有轨电车供电系统主要由“氢燃料电池系统+动力电池系统”组成，其中氢燃料电池系统的主要作用是通过氢气与氧气的反应产生电能为列车提供动力。燃料电池和动力电池作为混合动力源持续为列车提供动力，动力电池可在燃料电池未启动、故障时单独为列车提供动力一段时间[5]。氢动力系统结构如图3所示。

图3 氢动力系统结构示意图

2.2.1 燃料电池系统

高明氢能源有轨电车燃料电池系统主要由燃料电池电堆和氢气供给与循环系统、氧气（空气)供给系统等配套辅机系统组成。其中，燃料电池采用基于氢气和氧气发电的质子交换膜燃料电池（PEMFC），在原理上相当于水电解的“逆”装置，如图4 所示。燃料电池输出的电压一般为DC350～680 V的不稳定电压，需通过DC/DC 模块升压至稳定的DC750 V 与动力电池一起给有轨电车的牵引及辅助系统供电，当整车负载功率较低时给动力电池充电。

图4 质子交换膜燃料电池工作原理示意图

2.2.2 动力电池

高明氢能源有轨电车动力电池采用钛酸锂电池，与DC/DC 模块并联设置，受整车能量控制器控制，可根据列车状态进行充放电，为整车提供电能或吸收部分制动电能，如图5所示。

图5 动力电池电气原理示意图

3 氢能源和超级电容在有轨电车的应用分析

3.1 主要技术性能

根据有轨电车的特点，列车的供电介质除确保安全、可靠之外，还应具有能量密度高、功率密度高、寿命长、环境适应性强、充电快速便捷等特征[6]。表1所示为氢能源和超级电容在现代有轨电车的主要技术性能。氢能源属于化学类电源供给系统，属于能量密集元件，相比超级电容在能量密度占优势，在续航能力方面表现优异，其缺点在于能源利用率相对较低，加氢时间长。超级电容属于物理电池，是功率密集的储能元件，相比氢燃料电池在功率密度具有一定的优势，且充电时间短，其缺点主要在于其能量密度低，列车的续航里程短。

表1 超级电容和高明氢能源的主要技术性能

3.2 行车组织

3.2.1 列车故障对行车的影响

基于超级电容的能量密度低、充电时间短的特点，国内大部分采用超级电容的有轨电车其在充满电的情况下单次运行里程一般在4～5 km，因此需利用列车停站的时间快速充电。有轨电车一般采用混合路权，如列车在区间运行过程中遇交通堵塞、交通事故或充电站故障等意外因素，存在超级电容馈电，导致列车需要救援的风险。

高明氢能源有轨电车采用燃料电池与动力电池的供电结构，其储氢量约为20 kg，在满氢的情况下，列车可续航约100 km。同时，在氢气不足或燃料电池系统故障的情况下，可由动力电池继续牵引列车回库。在续航能力和故障应对方面，氢能源相比超级电容有着非常明显的优势。

3.2.2 行车组织安排

采用超级电容的有轨电车，一般每1～2 个站即设置一个充电站，确保列车在上一个充电站充满电后可运行至下一充电站，通过利用列车停站时间快速完成超级电容的充电，实现列车“离线运行”与“在线充电”的无缝切换。

高明氢能源有轨电车，采用的是“离线加氢”的模式，在车辆段旁设有一个加氢站进行加氢。据计算，在不同的载重工况下，一次加氢可运行79～126 km。结合运营经验，一般在列车氢气仍有一定余量的情况下安排下线加氢。经测算，从退出服务到上线运营的整个加氢时间约为40 min。基于氢能源有轨电车需离线加氢的特性，在列车回库加氢的期间，一般需安排备车上线接替运营，对行车组织方面有一定的影响。因此，在行车组织方面，超级电容有轨电车具有一定的优势。

3.3 运营管理

由于氢气是易燃、易爆气体，如遇火种、热源即发生燃烧甚至爆炸，在运营管理方面，氢能源有轨电车与超级电容有轨电车的主要区别在于安全管理。针对氢气的使用和氢能车辆加氢设施等方面，国家层面制定了《氢气使用安全技术规程》等强制性标准。相比超级电容，氢能源有轨电车在安全管理方面有着非常高的要求。

以高明有轨电车线路为例，除了遵循国家标准外，运营单位就涉氢安全管理方面专门制定了3份企业级管理制度，用于明确氢能源安全管理要求、应急处理措施等。同时，把车辆段内停车列检线、月检线、临修线等设置顶棚的车库定义为涉氢区域，并根据爆炸性气体环境出现概率和持续时间把涉氢区域场所划分为三类场所，实行分级管理。此外，对涉氢区域内的相关设备（如起重机、架车机等）要求必须为防爆设备，并严格控制非防爆设备进入涉氢区域。

3.4 对新产业发展的推进

随着全球各国对环境保护的重视，推动了对清洁能源的研究和应用。氢能源作为一种可再生的清洁能源，是未来能源的重要组成部分。目前，佛山市正不断推进氢能源在交通等领域的应用[7]，高明氢能源有轨电车对于城市产业结构的调整、促进上下游产业的发展有着明显的牵引作用。同时，根据规划，目前用于为高明有轨电车提供加氢服务的加氢站，后续将进一步为氢能源公交车等路面交通工具提供加氢服务，实现加氢站的资源共享。加快氢能源产业的发展，为城市提供零污染的出行方式是高明氢能源有轨电车最重要的作用，也是最突出的优势。

3.5 氢能源与超级电容优缺点

氢能源有轨电车与超级电容有轨电车作为典型储能式供电系统有轨电车，在技术层面和实际应用层面具有不同的特点，前文的分析中，其主要的优缺点如表2所示。

4 结束语

为减少有轨电车建设对城市的影响、提升城市形象，非接触网供电方式的有轨电车，特别是储能式的有轨电车将是未来各地有轨电车建设的首选方案。作为储能式有轨电车的两个典型，以超级电容作为储能介质的有轨电车，具有行车组织便利、运营管理方便等优势，但超级电容的特性制约了有轨电车的续航里程，给正线行车带来了一定的不确定因素。以氢能源作为储存介质的有轨电车，具有续航里程长、行车可靠性高等优点，同时对于促进氢能源产业发展，提升城市形象等方面具有突出的作用，但由于其需要离线加氢、安全要求高等特点，为运营单位在行车组织、运营管理等方面提出了更高的要求。

表2 超级电容和高明氢能源的主要技术性能

当前，欧美等发达国家对氢燃料电池技术的研究不断深入，氢燃料电池的应用场景已经逐步在汽车、航空航天、轨道交通等领域均得到了广泛的应用。中国目前已非常重视氢能源产业的发展，特别是在《中国制造2025》中把发展氢燃料电池技术提升到了战略高度后，各地政府也出台了一系列的政策来支持氢能源的发展，将大大推进氢能源的研究及商业化应用。高明有轨这种商业化运营的氢能源有轨电车线路，其示范性作用必将加快氢能源在轨道交通的应用。