燃料電池混合動(dòng)力100%低地板有軌電車(chē)設(shè)計(jì)*

臧曉艷, 李 明, 岳成林， 潘 碩， 李 碩

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市有軌電車(chē)的需求十分巨大，現(xiàn)代有軌電車(chē)已成為現(xiàn)代化城市發(fā)展的必然需要[1]。為進(jìn)一步體現(xiàn)與城市景觀的融合，有軌電車(chē)供電方式逐步由接觸網(wǎng)向無(wú)接觸網(wǎng)發(fā)展[2]。

目前國(guó)內(nèi)外的無(wú)接觸網(wǎng)現(xiàn)代有軌電車(chē)主要包括第3軌、感應(yīng)式和蓄電池/超級(jí)電容儲(chǔ)能式3種形式[3]。這幾種無(wú)接觸網(wǎng)式有軌電車(chē)系統(tǒng)都或多或少的存在一些由其必需的地面供電系統(tǒng)帶來(lái)的建設(shè)成本和安全性問(wèn)題[4]。因此，不需地面供電系統(tǒng)的新型現(xiàn)代有軌電車(chē)成為一個(gè)研究發(fā)展方向。

與現(xiàn)有無(wú)接觸網(wǎng)式有軌電車(chē)相比，燃料電池有軌電車(chē)配備燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，不依賴牽引供電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全程無(wú)網(wǎng)運(yùn)行，是一種新型有軌電車(chē)模式，發(fā)展前景廣闊[5]。

目前美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、韓國(guó)、印度等國(guó)家都制定了無(wú)接觸網(wǎng)供電的燃料電池有軌電車(chē)研發(fā)計(jì)劃，但多數(shù)還未得以實(shí)施，或者正在實(shí)施還未取得階段性成果。在這一領(lǐng)域，我國(guó)與國(guó)外起步時(shí)間相差較短，技術(shù)水平差距不大。

2013年，西南交通大學(xué)、中車(chē)唐山公司共同參與申報(bào)了國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力100%低地板有軌電車(chē)研制”，并獲得批準(zhǔn)。通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)展，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力100%低地板有軌電車(chē)，為我國(guó)在這一新興領(lǐng)域搶占技術(shù)制高點(diǎn)贏得先機(jī)。

1 車(chē)輛主要性能參數(shù)

1.1 編組及主要參數(shù)

車(chē)輛由3個(gè)模塊構(gòu)成，編組方式為-Mc+T+Mc-，見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)輛編組

其中：Mc為安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和司機(jī)室的動(dòng)車(chē)模塊，T為安裝燃料電池系統(tǒng)和拖車(chē)轉(zhuǎn)向架的拖車(chē)模塊，+ 代表風(fēng)擋鉸接結(jié)構(gòu)，-代表前端車(chē)鉤。車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 牽引性能

由于燃料電池和超級(jí)電容混合動(dòng)力無(wú)法像接觸網(wǎng)那樣持續(xù)提供牽引系統(tǒng)所需最大功率。在綜合考慮了加速度要求、燃料電池功率、超級(jí)電容能量、運(yùn)行舒適性等因素后，合理設(shè)計(jì)3種動(dòng)力源工作情況，如表2所示。

表2 3種動(dòng)力源協(xié)同工作

圖2 牽引特性曲線

0～30 km/h的過(guò)程中，電機(jī)工作在過(guò)載狀態(tài)， 31～60 km/h的過(guò)程中，電機(jī)一直處于降功率工作狀態(tài)。電機(jī)電流與負(fù)載扭矩成正比，電機(jī)的電流低速到高速基本穩(wěn)定。

此控制策略充分利用了超級(jí)電容大電流快速放電，燃料電池持續(xù)輸出穩(wěn)定功率的特點(diǎn)，在最大程度上使運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)的前提下，充分利用了超級(jí)電容和燃料電池的能量。

1.3 余熱利用方案

燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)，燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的能量除一部分轉(zhuǎn)化為電能為車(chē)輛提供動(dòng)力外，燃料電池在工作時(shí)的理化反應(yīng)會(huì)釋放出150～170 kW左右的熱量。為了充分利用燃料電池系統(tǒng)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，節(jié)省車(chē)輛能耗，本車(chē)專門(mén)設(shè)計(jì)了余熱利用系統(tǒng)。

通過(guò)熱量傳遞介質(zhì)把熱量引入/引出空調(diào)機(jī)組內(nèi)部余熱利用換熱器中，為車(chē)輛在冬季運(yùn)行時(shí)提供熱量，達(dá)到對(duì)客室供暖的目的。由于燃料電池產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)高于客室內(nèi)需要的熱量，余熱利用換熱器不足以將燃料電池產(chǎn)生的熱量散去，要滿足燃料電池工作嚴(yán)格的溫度條件，需要在系統(tǒng)中加入主散熱器，所以整個(gè)系統(tǒng)中一臺(tái)燃料電池對(duì)應(yīng)一臺(tái)主換熱器及一臺(tái)余熱回收換熱器。余熱利用系統(tǒng)提高了車(chē)輛的綜合節(jié)能能力。

余熱利用散熱器集成在空調(diào)系統(tǒng)中，方案設(shè)計(jì)如圖4所示。在空調(diào)機(jī)組內(nèi)部，設(shè)置兩臺(tái)余熱換熱器。夏季運(yùn)行蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，為客室供冷；冬季余熱散熱器工作，為客室供暖。在采暖和供冷季節(jié)，共用空調(diào)機(jī)組室內(nèi)通風(fēng)機(jī)，共用客室內(nèi)風(fēng)道系統(tǒng)。通過(guò)此設(shè)計(jì)，達(dá)到充分利用燃料電池系統(tǒng)散出的廢熱的目的。

圖3 冷卻循環(huán)示意圖

圖4 余熱利用系統(tǒng)方案圖

2 車(chē)輛主要系統(tǒng)

2.1 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

為滿足整車(chē)性能，車(chē)輛配備兩套混合動(dòng)力系統(tǒng)，每套混合動(dòng)力系統(tǒng)包括一套燃料電池系統(tǒng)、一套超級(jí)電容和一套動(dòng)力電池，以及相應(yīng)的控制設(shè)備。

燃料電池是高效、環(huán)保的新型發(fā)電裝置，使用純氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，具有低運(yùn)行溫度、高功率密度、快速響應(yīng)、快速啟動(dòng)能力、穩(wěn)定性好以及不會(huì)造成環(huán)境污染的特點(diǎn)，目前在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[6]。

本車(chē)采用的燃料電池系統(tǒng)包括高壓儲(chǔ)氫模塊、空壓機(jī)模塊、燃料電池模塊、熱量管理模塊、控制模塊等。高壓儲(chǔ)氫模塊具備壓力超限自動(dòng)泄壓功能，確保罐體安全?？諌簷C(jī)模塊采用直流母線供電，采用模塊化設(shè)計(jì)，方便進(jìn)行皮帶等配件的定期更換。采用隔聲降噪設(shè)計(jì)，噪聲等級(jí)符合車(chē)輛總體要求。燃料電池模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，方便進(jìn)行冷卻液以及加濕水的定期更換。燃料電池系統(tǒng)中各模塊的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)等傳送至列車(chē)控制系統(tǒng)，在操縱臺(tái)顯示氫氣罐壓力、燃料電池電壓等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。司機(jī)操縱臺(tái)上具有緊急停機(jī)按鈕，以便系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)執(zhí)行緊急停機(jī)操作，確保系統(tǒng)安全。

燃料電池系統(tǒng)作為列車(chē)主動(dòng)力源，提供列車(chē)牽引所需動(dòng)力。超級(jí)電容主要用于補(bǔ)充列車(chē)啟動(dòng)加速過(guò)程中的功率需求，及用于列車(chē)制動(dòng)時(shí)再生制動(dòng)能量回饋。動(dòng)力電池系統(tǒng)除滿足燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)、補(bǔ)充牽引功率需求、回收制動(dòng)能量外，還具備滿足燃料電池低功率運(yùn)行能量吸收、緊急牽引模式下能量需求等作用。

燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。

FCCU-能量管理控制器； SC-超級(jí)電容；LiB-鋰電池；FC-燃料電池；SC-DC/DC-超級(jí)電容雙向變流器；LiB-DC/DC-鋰電池雙向變流器；FC-DC/DC-燃料電池單向變流器；BR-制動(dòng)電阻；VVVF-牽引逆變器；M-電機(jī)；AUX-輔助逆變器。圖5 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2 牽引系統(tǒng)

車(chē)輛配置有2個(gè)動(dòng)力模塊，每個(gè)動(dòng)力模塊設(shè)置有1個(gè)牽引逆變器，每個(gè)牽引逆變器內(nèi)部有兩個(gè)逆變模塊，每個(gè)逆變模塊驅(qū)動(dòng)同側(cè)的牽引電機(jī)。車(chē)輛滿足AW2載荷下，無(wú)風(fēng)、平直干燥軌道，不小于1.2 m/s2的啟動(dòng)加速度要求。

車(chē)輛牽引系統(tǒng)設(shè)置有降級(jí)模式功能，在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障的情況下，可以切換至降級(jí)模式，依靠硬線限速30 km/h運(yùn)行。

2.3 制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于EN 13452-2003有關(guān)規(guī)定。制動(dòng)系統(tǒng)采用成熟的微機(jī)控制的模擬式電液制動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)設(shè)備、磁軌制動(dòng)系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)及其他附屬設(shè)備組成。

車(chē)輛采用電制動(dòng)+液壓制動(dòng)混合模式，具有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、安全制動(dòng)等5種制動(dòng)方式。

2.4 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)滿足IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。列車(chē)采用CAN總線進(jìn)行通信。

列車(chē)控制由列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和部分涉及列車(chē)安全控制要求的硬線聯(lián)合完成，優(yōu)先考慮采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。當(dāng)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，列車(chē)能夠進(jìn)行有效牽引、制動(dòng)、開(kāi)關(guān)門(mén)等。

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除具備控制、監(jiān)測(cè)、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等基本功能外，還將進(jìn)行智能化技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，主要有以下兩點(diǎn)：

(1) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，便于對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

(2) 無(wú)線wifi技術(shù)，乘客提供無(wú)線上網(wǎng)，提高服務(wù)水平。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 牽引性能

通過(guò)車(chē)輛型式試驗(yàn)驗(yàn)證，車(chē)輛在AW2載荷工況下，0～60 km/h平均加速度0.65 m/s2，0～30 km/h平均加速度1.22 m/s2，見(jiàn)圖6～圖7。

圖6 0～60 km/h牽引起動(dòng)加速度

圖7 0～30 km/h牽引起動(dòng)加速度

3.2 制動(dòng)性能

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證， 車(chē)輛滿足最大常用制動(dòng)減速度1.1 m/s2，緊急制動(dòng)減速度2.5 m/s2的設(shè)計(jì)目標(biāo)，見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 最大常用制動(dòng)曲線

圖9 緊急制動(dòng)曲線

3.3 耗氫量和續(xù)駛里程

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，車(chē)輛在AW2工況下，車(chē)輛速度從0加速至60 km/h，再?gòu)?0 km/h減速至0，多次試驗(yàn)，氫氣消耗量見(jiàn)表3。

表3 氫氣消耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)分析，整車(chē)可用儲(chǔ)氫量約11.7 kg(25℃)，可運(yùn)行32.1 km，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 余熱利用效果

余熱利用效果是依據(jù)空調(diào)機(jī)組余熱部分在相同流量不同進(jìn)管溫度下的制熱量，和不同壓降、流量下的制熱量進(jìn)行評(píng)估。型式試驗(yàn)測(cè)試，相同流量、不同進(jìn)管溫度下的制熱量如表4和圖10所示。

表4 相同流量不同進(jìn)管溫度下的制熱量測(cè)試結(jié)果

圖10 相同流量不同進(jìn)管溫度下的制熱量測(cè)試結(jié)果

不同壓降和流量下的制熱量測(cè)試如表5和圖11所示。

表5 不同壓降和流量下的制熱量測(cè)試

圖11 不同壓降和流量下的制熱量測(cè)試結(jié)果

注：溶液為44%乙二醇和水溶液。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，相同流量不同進(jìn)管溫度下的制熱量滿足進(jìn)管溶液溫度70℃時(shí)，制熱量不小于20 kW，相同進(jìn)管溶液溫度，當(dāng)壓降為0.3 kPa時(shí)，機(jī)組制熱量不小于20 kW，滿足冬季車(chē)輛客室取暖的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代有軌電車(chē)作為一種新型、高效、現(xiàn)代化的公共交通工具，正在快速發(fā)展。而燃料電池系統(tǒng)供電的現(xiàn)代有軌電車(chē)適用于全線無(wú)接觸網(wǎng)線路，并以節(jié)能、環(huán)保、污染零排放，環(huán)境友好的特點(diǎn)具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

文中對(duì)車(chē)輛總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)了燃料電池、超級(jí)電容和動(dòng)力電池3種動(dòng)力源進(jìn)行匹配工作的能量管理策略，仿真計(jì)算并試驗(yàn)驗(yàn)證了車(chē)輛牽引、制動(dòng)性能及續(xù)駛里程。針對(duì)燃料電池系統(tǒng)較大的散熱，設(shè)計(jì)了專門(mén)的散熱器，用于余熱利用。冬季客室制暖能量完全取自燃料電池系統(tǒng)散熱，節(jié)約車(chē)輛能耗。本車(chē)的成功研制，開(kāi)啟了燃料電池系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)新方向。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，車(chē)輛性能完全符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。車(chē)輛于2017年10月成功應(yīng)用于唐山工業(yè)旅游線路，為世界上第一列投入運(yùn)用的燃料電池100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)。