2-超级电容公交车系统的商业模式探索--华黎

超级电容公交车系统的商业模式探索华黎*（上海奥威科技开发有限公司上海 201203）摘要：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。

采用超级电容储存电能以驱动车辆行驶。

充电候车站利用无轨电车原整流网，在站台快速为超级电容公交车充电。

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，使系统性价比较好。

超级电容公交车系统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。

上海老城厢11路超级电容公交车系统商业示范线开通已二年多，至2008年底将完成商业运营100万公里。

探索其商业模式对推动其他新能源车辆的推广和城市公交节能如何走节能减排可持续发展之路具有借鉴作用和现实意义。

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Abstract: Ultracapacitor bus system consists of ultracapacitor buses and rapid charge stations. The bus is driven by the power stored in ultracapacitor modules. The charge station utilizes the old rectifying power grid and charges ultracapacitor buses rapidly. The system has high cost performance due to the quick charge/discharge speed, long cycle life and high safety factor of ultracapacitors. Ultracapacitor bus system has turned out to be the best solution to city public transportation based on fixed routes, and it is a new type of city pubic transportation mode which is clean and environmentally benign. No. 11 ultracapacitor bus has been in commercialized operation in the old city of Shanghai for over 2 years, by the end of 2008, the total range of these buses will amount to 1,000,000 km. the research and exploration of the commercialized mode of ultracapacitor bus system provide an successful example for the promotion of other new clean energy vehicles and has realistic significance for the sustainable development of energy conserving and emission reducing in city public transportation.Key Words: Ultracapacitor; Ultracapacitor Bus System, Energy Conserving and Emission Reducing in Public Transportation; Commercialized Mode; Sustainable Development.一、超级电容公交车系统由来和技术基础1、超级电容器介绍超级电容器（Super capacitor）是一种具有大容量、高功率的界于电容与电池之间的新型储能器件，完全不同于传统的电容器，属于新兴的储能器件范畴。

上世纪60年代国际上开始基础研究，最近10年取得了突破性进展，因其突出的技术性能成为了动力电池领域具有革命性的成果，在欧洲、美国、日本、韩国已经开始形成新兴的储能器件产业。

传统电容器以μF（微法）标称电容量，超级电容器以F（法拉）标称电容量1F=106μF，超级电容器容量可达到10万F以上。

超级电容器主要包括双电层电容器（Electric Double Layer Capacitors）和电化学电容器（Electrochemeical Capacitors）。

双电层超级电容器的基本原理是利用高性能活性炭形成的多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电荷容量。

传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为ε）所隔离。

电容值为：C = ε˙A / 3.6 πd ˙10-6(μF)。

所储存的能量为：E = 1/2 C（ΔV）2其中C为电容值，ΔV为极板间的电压差。

可见，若想获得较大的电容量，必须增大面积A或减少介质厚度d。

当在两端施加电压时，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将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联，如图一所示：双电层电容器结构原理图（图一）由于高性能活性碳材料具有≥2000m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A），而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度d），根据计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。

但能量密度一般是2~3Wh/Kg，有些动力需求储能不能满足。

混合型电极结构的电化学电容器开始出现，其正极采用金属Ni电极结构，负极采用C型电极，使超级电容器的比能量达到10wh/kg以上。

如图二所示：混合型超级电容器结构原理图（图二）混合型结构超级电容器已完全不同于传统的电解电容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其单体容量能够超过传统电容器的1000倍以上，在0.8升的体积内就能够达到10000F以上的容量，兼具电池与电容的双重特性，成为一种性能较佳的动力电源，与电池及传统电容比较具有如下显著的性能特点：充电速度快，充电10秒-10分钟可达到其额定容量的95％以上；循环寿命长，充放电循环使用次数可达2-50万次；（无机超级电容/有机超级电容）；转换效率高，充放电过程损失小，大电流能量循环效率≥90％；功率密度大，可达5000W/Kg，相当于铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池的5-10倍；产品无污染，原材料构成、生产、使用、储存、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，可工作于摄氏零下40℃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。

2、超级电容公交车系统介绍超级电容公交车系统由电容公交车和快速充电站组成。

采用超级电容器储存电能，以电能来驱动车辆行驶，并向车辆所有辅助运行设备提供电能；其车辆基本工作原理与双源无轨电车相似。

（如图三所示）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。

由于超级电容器具有非常好的充电接受能力，所以在车辆停靠站时，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工况模式，是一种以电力为能源的，没有尾气排放，零污染的客运交通系统。

可应用于城市固定线路，短途、大客流的公共交通客运和机场、码头、展览中心等专线客运系统。

超级电容公交车系统工作原理图（图三）3、超级电容公交车系统技术参数电容公交车主要技术参数：见附表（1），快速充电候车站主要技术参数：见附表（2）。

附表（2）：快速充电候车站主要技术参数（适用于单一车位）*有无轨电车600V/DC供电网则不需要。

附表（3）：超级电容公交车电容组件技术指标二、超级电容公交车系统设计原则和基本运行方式1、超级电容公交车系统选择线路及设计原则：1)无轨电车线路可改造为超级电容公交车线路；2)能充分利用无轨电车供电整流资源，减少建站的投资成本；3)设计线路距各整流站，半径范围为3-3.5公里，以保证供电质量；4)超级电容公交车运营线路不宜大于12公里；北5)线路的客流稳定、道路相对平坦、站台相对独立；6)原无轨电车线路改为燃油公交线路，可利用闲置的供电资源建站建线；7)线路距维修停车场路程不宜超过5公里（大于5公里加中途充电站）；8)新的生态居住小区是超级电容公交车线路的最佳选择；9)公共交通规划的卫星城区的环保型公交线路。

2、超级电容公交车系统基本运行方式：超级电容公交车运行时，起讫充电候车站使用DC600V/200A电流通过车载集电弓、大功率充电器对超级电容器组进行充电，充电时间约180秒，在中途充电候车站利用停车上下客进行充电，充电时间为≤30秒。

起讫快速充电候车站的停车充电车位，根据发车频率可设置二个以上车位，中途快速充电候车站的停车充电车位，设置一个车位即可满足运行需求。

车辆进站停靠横向偏移范围为0.6米，行进方向距离视充电候车站的车位而定。

对运行线路长度小于12公里范围，其充电候车站的间距一般设置为0.8千米-1千米之间，符合城市公交的定站规律。

对一些客运专线，其运行距离在2千米以内的，不需设立中途充电站。

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，在设计时可以融入人性化的理念和文化元素。

3、超级电容器车容量配制及充放电时间的计算方法电容公交车整车电容系统储能W=C（U始2-U终2）/2。

设充电电流为I、充电时间为t、充电效率为η、电容系统的平均电压为U平，则又有：W＝U平Itη。

即U平Itη=C（U始2-U终2）/2，设整车电容内阻为R，则得出容量与充电时间的关系式如下：U平Itη=C[（U始- IR）2-U终2）]/2 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（1）以400个80000F超级电容器单体串联的电容公交车为例，有：U平=490V η=0.9C＝80000F÷400个＝200FU始＝600V R=400个×0.0005Ω＝0.2ΩU终＝360V。