鋁空燃料電池在高速磁浮列車(chē)中的應(yīng)用

陳 星，馬齊林

（1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.北京北交思遠(yuǎn)科技發(fā)展有限公司，北京 100000）

目前，我國(guó)高速磁浮列車(chē)最高試驗(yàn)運(yùn)行速度達(dá)到503km/h，最高實(shí)際營(yíng)運(yùn)時(shí)速可達(dá)430km/h。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，將會(huì)出現(xiàn)營(yíng)運(yùn)時(shí)速達(dá)到600km/h以上的高速磁浮列車(chē)，其也必然會(huì)成為主要的長(zhǎng)距離交通運(yùn)輸工具之一。

不過(guò)，高速磁懸浮列車(chē)的長(zhǎng)距離運(yùn)行會(huì)帶來(lái)新的技術(shù)問(wèn)題。在長(zhǎng)距離運(yùn)行線路中，保證列車(chē)在任一地點(diǎn)因故障停車(chē)時(shí)，乘客的乘車(chē)環(huán)境都能夠保持舒適，就是其中的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。高速磁浮列車(chē)在等待救援時(shí)，需要由地面電源或車(chē)載電源為車(chē)載空調(diào)、照明等系統(tǒng)供電。如果采用地面電源方式為列車(chē)供電，需要在全線路磁浮軌道鋪設(shè)接觸式供電軌或非接觸器供電線圈。這樣極大地增加了高速磁浮軌道的投資成本，也增加了維護(hù)成本和供電成本。此外，高速磁浮列車(chē)具有高可靠冗余性設(shè)計(jì)，使得列車(chē)故障停車(chē)的概率較小，從而使得全線路鋪設(shè)供電軌或供電線圈的經(jīng)濟(jì)效益極低。因此，高速磁浮列車(chē)故障停車(chē)等待救援時(shí)，選擇長(zhǎng)期存放不失電的車(chē)載電源為車(chē)載空調(diào)、照明及動(dòng)力電池等設(shè)備供電比較合理。

1 現(xiàn)狀分析

目前可以作為高速磁浮列車(chē)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的電源，主要有二次電池（如堿性電池、鋰電池等）和燃料電池（如氫燃料電池、鋁空燃料電池等）兩種類(lèi)型電源裝置。

二次電池可以充放電，具有可以重復(fù)多次使用的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)二次電池長(zhǎng)時(shí)間存放會(huì)導(dǎo)致電池放電量減少，同時(shí)存在重量較大且需要增加電池充電控制邏輯電路設(shè)計(jì)等技術(shù)問(wèn)題。而燃料電池雖然具有長(zhǎng)時(shí)間存放不失電的優(yōu)點(diǎn)，卻不能夠二次充電。其中，氫燃料電池存在安全性隱患，并且重量較大，制造成本較高。相對(duì)其他類(lèi)型燃料電池來(lái)說(shuō)，鋁空電池具有能量密度大、安全性高、資源豐富、制造成本低、重量輕、清潔易回收等優(yōu)點(diǎn)，因此將鋁空燃料電池作為高速磁浮列車(chē)備用儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種較為理想的選擇。

不過(guò)，目前鋁空電池尚未應(yīng)用于軌道交通行業(yè)，還需要結(jié)合高速磁浮列車(chē)的接口關(guān)系進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。此外，鋁空燃料電池作為車(chē)載備用電源系統(tǒng)有以下兩個(gè)主要問(wèn)題亟待解決：（1）放電時(shí)負(fù)載特性較軟；（2）放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱能。

下面對(duì)鋁空燃料電池系統(tǒng)如何與高速磁浮列車(chē)進(jìn)行集成進(jìn)行分析，然后簡(jiǎn)述以上兩個(gè)制約問(wèn)題的解決方向。

2 鋁空燃料電池系統(tǒng)組成

鋁空燃料電池系統(tǒng)主要由啟動(dòng)電源、電池管理系統(tǒng)、電池反應(yīng)堆、液流泵、冷卻風(fēng)機(jī)、電解液箱及其加熱裝置等部件組成。其中，啟動(dòng)電源主要用來(lái)為電池管理系統(tǒng)和液流泵供電；液流泵主要是用于將電解液箱中的電解液抽入電池反應(yīng)堆中，并維持電解液流動(dòng)循環(huán)；電池反應(yīng)堆主要是用來(lái)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能；散熱片主要是用于降低電池電解液的溫度；冷卻風(fēng)機(jī)主要是用于將散熱片中的熱能帶走，并保證電池反應(yīng)堆中有足夠的氧氣；電池管理系統(tǒng)主要用于鋁空電池系統(tǒng)的啟停、加熱及通風(fēng)等控制，也用于監(jiān)控電池的工作狀態(tài)并將故障信息及時(shí)反饋給列車(chē)診斷系統(tǒng)；電解液箱主要用于存放電解液；加熱裝置主要用于防止電解液箱在寒冷天氣下凍結(jié)。

鋁空燃料電池放電時(shí)，需要液流泵將電解液箱中的電解液抽入電池反應(yīng)堆中，且持續(xù)時(shí)間很短，而高速磁浮列車(chē)的車(chē)載二次電池可以作為鋁空電池的啟動(dòng)電源。當(dāng)鋁空電池反應(yīng)堆發(fā)出電時(shí)，又可以為鋁空電池管理系統(tǒng)、液流泵和列車(chē)負(fù)載等設(shè)備供電。這樣便實(shí)現(xiàn)了鋁空燃料電池的發(fā)電過(guò)程，鋁空燃料電池系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

3 鋁空燃料電池供電策略

鋁空電池放電時(shí)負(fù)載特性較軟，意味著帶載放電時(shí)負(fù)載越大電池輸出電壓就會(huì)越低，并且鋁空電池發(fā)熱就越多。這就需要在列車(chē)應(yīng)急負(fù)載的功率及工作電壓中取得一個(gè)平衡點(diǎn)，即在列車(chē)負(fù)載額定工作電壓范圍內(nèi)，盡可能減少車(chē)載應(yīng)急負(fù)載，同時(shí)盡可能增加鋁空電池的放電功率。

高速磁浮車(chē)載動(dòng)力電網(wǎng)電壓是由升壓斬波器將低壓直流輸入電源，并將其轉(zhuǎn)化為合適的高電壓直流電源。這樣可以利用升壓斬波器將相對(duì)寬范圍低電壓內(nèi)的鋁空電池電源電壓轉(zhuǎn)化為列車(chē)應(yīng)急負(fù)載可用電壓。

為滿足高速磁浮列車(chē)等待救援的負(fù)載需求，應(yīng)在滿足列車(chē)救援負(fù)載能耗情況下盡可能多地布置鋁空電池（或提高鋁空電池功率）。確定布設(shè)車(chē)載鋁空燃料電池的數(shù)量不僅與自身發(fā)電功率及容量相關(guān)，還與列車(chē)的用電功率、控制策略及冗余設(shè)計(jì)相關(guān)。高速磁浮列車(chē)等待救援時(shí)，主要為空調(diào)、照明和車(chē)載動(dòng)力電池等負(fù)載供電，其他列車(chē)非必要負(fù)載不供電。這樣在負(fù)載功率相對(duì)較小的情況下，利用升壓斬波器限功率的方式，盡可能設(shè)置多臺(tái)鋁空電池進(jìn)行并聯(lián)，這樣不僅可以減少單臺(tái)鋁空電池的放電功率，還能夠減少鋁空電池的發(fā)熱量。同時(shí)，也可以為列車(chē)等待救援爭(zhēng)取更多的時(shí)間。

圖1 鋁空燃料電池系統(tǒng)示意圖

圖2 高速磁浮列車(chē)備用儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

為實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)需求，需要在鋁空燃料電池的輸出端增設(shè)單向二極管和輸出接觸器，以便于實(shí)現(xiàn)多組鋁空電池的并聯(lián)和切除。鋁空電池的故障切除和列車(chē)其他非必需負(fù)載的故障切除均可以通過(guò)列車(chē)診斷及控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。這樣便實(shí)現(xiàn)了鋁空燃料電池與列車(chē)供電網(wǎng)絡(luò)的接口關(guān)系，高速磁浮列車(chē)備用儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。此外，在列車(chē)條件允許的情況下，也可以考慮利用空調(diào)系統(tǒng)排出的冷空氣對(duì)鋁空電池進(jìn)行散熱處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁空燃料電池具有能量密度大、安全性高、資源豐富、制造成本低、重量輕、清潔易回收及長(zhǎng)期存放不失電等優(yōu)點(diǎn)。在高速磁浮列車(chē)系統(tǒng)既有電力設(shè)備的基礎(chǔ)上，以鋁空電池作為高速磁浮列車(chē)的備用電源，是一種較為合理的技術(shù)應(yīng)用，可以為高速磁浮列車(chē)的長(zhǎng)距離運(yùn)行提供供電保障，解決列車(chē)因供電故障停止運(yùn)行而供電不足問(wèn)題。