潘西湘，王月明，唐 陽

（西南交通大學(xué) 機械學(xué)院 機車車輛實驗室，四川 成都 610031）

0 引言

目前，氫氣作為燃料因能產(chǎn)生清潔高效的動力而備受關(guān)注。為替代傳統(tǒng)車輛內(nèi)燃機驅(qū)動以及今后替代電力驅(qū)動，鐵路技術(shù)研究所研發(fā)了用燃料電池驅(qū)動的新型車輛，引入了足以驅(qū)動至少一輛車的100kW級燃料電池系統(tǒng)（簡稱FC系統(tǒng)），并將其安裝在試驗車輛上進行了運行測試。該車徑實際運用還存在許多限制，如輸出功率不能達到傳統(tǒng)車輛的加速性能，而且不能利用再生能量［1］。本研究中，開發(fā)了鋰離子電池系統(tǒng)（簡稱Li－batt）、電池DC／DC變流器（Batt變流器）以及FC／Batt混合動力系統(tǒng)監(jiān)控器，并將它們與FC系統(tǒng)一起安裝在R291試驗車輛上，利用再生能量以及輔助電源，建立了一套混合動力系統(tǒng)。本文將闡述上述研發(fā)過程及不同運行條件下能源效率及燃料消耗率的評估結(jié)果。

1 FC／Batt混合動力系統(tǒng)的研發(fā)

1．1 系統(tǒng)試驗車的技術(shù)參數(shù)

本研究中，構(gòu)建了FC／Batt混合動力系統(tǒng)，并在列車上進行了運行試驗。圖1為FC／Batt混合動力試驗車輛?；旌蟿恿ο到y(tǒng)包括：由輸出直流電壓800V～1 500V、輸出功率700kW的單向DC／DC升壓變流器構(gòu)成的FC變流器；容量為360kW、能量為36kWh的鋰離子電池；輸出直流電壓為600V～1 500V、輸出功率360kW的雙向DC／DC變流器構(gòu)成的Batt變流器；兩個輸出功率為95kW的三相感應(yīng)電動機組成的主牽引電機；容積為720L、能承受35MPa壓強的氫氣缸。

在運用FC／Batt混合動力系統(tǒng)后列車輸出的數(shù)據(jù)較傳統(tǒng)車輛得到了改善［2］，由原來一輛編組變成了兩輛，牽引功率由120kW提高到360kW，燃料（氫氣）利用率由5km／kg提高到7km／kg，能源利用率提高了15%，且實現(xiàn)了再生制動。

圖1 FC／Batt混合動力試驗車輛

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FC／Batt混合動力系統(tǒng)很好地結(jié)合了燃料電池和蓄電池的輸出功率，避免因牽引逆變器輸入電壓波動影響其加速性能。為充分利用感應(yīng)電機產(chǎn)生的再生能量，F(xiàn)C／Batt混合動力系統(tǒng)采用了如圖2所示的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)的特點，如工作條件要求低、可簡化主電路等，最合適安裝于傳統(tǒng)車輛上。

圖2 FC／Batt混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1．3 鋰電池的研發(fā)

鋰離子電池因具有性能好、可靠性高、價格便宜等優(yōu)點而被選作為混合動力系統(tǒng)的蓄電池。在傳統(tǒng)鋰離子電池的基礎(chǔ)上，對本系統(tǒng)所用鋰電池的充電和放電電流密度進行了新的設(shè)計，使其是傳統(tǒng)鋰離子電池容量的10倍。本系統(tǒng)采用的電池技術(shù)參數(shù)為：額定電壓604．8V，容量60Ah，功率360kW。電池采用了168塊串聯(lián)、2組并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

1．4 Batt變流器的研發(fā)

為將鋰離子電池應(yīng)用于混合動力系統(tǒng)，研發(fā)了Batt變流器，其用于將鋰離子電池電壓在600V和1 500V之間進行雙向轉(zhuǎn)換。變流器主電路類型為雙向DC／DC，最大功率360kW，低位電壓500V～720 V，高位電壓1 500V，質(zhì)量為2 400kg，外形尺寸（長×寬×高）為4．5m×1．0m×1．65m。

2 FC／Batt混合動力系統(tǒng)的控制

通過從牽引逆變器（INV）、鋰離子電池、FC系統(tǒng)及FC變流器接受信號的方式，Batt變流器控制FC變流器的輸出功率和鋰離子電池充放電功率，以維持總線電壓恒定。當(dāng)總線電壓超過1 500V，Batt變流器向鋰離子電池充電；反之，讓電池放電。提前設(shè)置了充電SOC目標(biāo)值（CEO）和放電SOC目標(biāo)值（CSO），Batt變流器對FC變流器的輸出進行控制，保持來自SOC信號位于CEO和CSO之間。當(dāng)車輛速度大于5 km／h時，認(rèn)為車輛處于運行中，為獲得基于速度的再生能量，Batt變流器就會減小CEO和CSO值，故運行過程中的SOC會比靜止?fàn)顟B(tài)（或車輛速度低于5km／h）的低。當(dāng)車輛需要在較高SOC條件下進行測試時，則需要鋰離子電池提供加速能量。

為獲取再生制動產(chǎn)生的最大功率，將CEO值設(shè)為70%；為避免由于SOC信號的振蕩而發(fā)生共振，將CSO值設(shè)為60%（即比CEO值低10%）。這些Batt變流器參數(shù)可根據(jù)需要進行更改。

3 FC／Batt混合動力系統(tǒng)燃料消耗率及效率評估

我們在試驗軌道上對FC／Batt混合動力試驗車輛進行了運行試驗，并基于試驗結(jié)果對混合動力系統(tǒng)的燃料消耗率及能源效率進行了評估。本文對有無等待SOC恢復(fù)及是否開啟空調(diào)等三種工況下的輸出進行了比較［3］。

3．1 空調(diào)關(guān)閉時燃料消耗率和效率的評估

圖3為帶有SOC恢復(fù)及空調(diào)關(guān)閉情況下（工況1）的連續(xù)運行試驗結(jié)果。在有SOC恢復(fù)情況下，只要有燃料就可一直進行運行試驗?；赟OC維持在60%情況下（除了第一次以外）連續(xù)進行了30次試驗。

圖4為沒有SOC恢復(fù)及空調(diào)關(guān)閉情況下（工況2）的試驗結(jié)果。在沒有SOC恢復(fù)的情況下，隨著運行試驗的進行SOC值漸漸降低，當(dāng)SOC值低于30%時試驗結(jié)束。本工況下，當(dāng)SOC值從60%降到30%，可進行22次運行試驗。

在這些評估中，使用下述公式對燃料消耗率和效率各方面進行定義［4］：

其中：A為加速能量；B為輔助能量；C為電池放電能量。氫氣消耗能量通過低熱值進行換算。

圖3 工況1下連續(xù)運行試驗結(jié)果

圖4 工況2下連續(xù)運行試驗結(jié)果

對于工況1、2，表1列出了燃料消耗率的評估，表2列出了效率各方面的評估。由表1和表2可知：當(dāng)空調(diào)關(guān)閉，無SOC恢復(fù)下，氫氣耗量、燃料利用率、燃料電池效率、再生效率及車輛能源效率都優(yōu)于有SOC恢復(fù)情況。

表1 工況1、2下燃料消耗率評估

表2 工況1、2下效率評估

3．2 空調(diào)開啟時燃料消耗率和效率的評估

圖5為沒有SOC恢復(fù)及空調(diào)開啟情況下（工況3）連續(xù)運行試驗的結(jié)果。本工況下，當(dāng)SOC值從60%降到30%，可進行16次運行試驗。對于工況3，表3列出了燃料消耗率的評估，而表4列出了效率各方面的評估。工況2和工況3的差別僅僅是空調(diào)的開關(guān)與否，但在燃料利用率和車輛能效方面卻分別有1．07km／kg－H2和7．4%的差別。工況2下，要將SOC從30%恢復(fù)到60%，需要花約12min，而工況3則要花約15min。工況1中，每次運行試驗要將SOC恢復(fù)到60%均需要花3min左右。

圖5 工況3下連續(xù)運行試驗結(jié)果

4 結(jié)論

在裝有FC／Batt混合動力系統(tǒng)的兩輛車上進行了運行試驗，并對具有60%SOC恢復(fù)運行工況和沒有SOC恢復(fù)工況進行了燃料消耗率和效率方面的評估。結(jié)果表明：沒有SOC恢復(fù)工況的燃料利用率和車輛能源效率分別比有SOC恢復(fù)工況好，約為0．8km／kg－H2和10%。另外，分析了空調(diào)開關(guān)之間的區(qū)別，結(jié)果表明空調(diào)關(guān)閉時大約有1km／kg－H2的燃料利用量和7%的車輛能源效率的優(yōu)勢。此處，只能簡單地確定車輛能效約65%的車輛如預(yù)期一樣具有較高的性能。研發(fā)尺寸更小的FC／Batt混合動力系統(tǒng)，并針對實際運用確定燃料電池壽命是今后的研發(fā)方向。

表3 工況3下燃料消耗率評估

表4 工況3下效率評估

［1］ Ogden J，Steinburger Ｍ Ｍ，Kreutz TG．A comparison of hydrogen，methanol and gasoline fuels for fuel cell vehicles：implications for the vehicle design and infrastructure development［J］．J Power Sources，1999，79：143－168．

［2］ Takamitsu Yamamoto．Energy efficiency evaluation of fuel cells and batteies hybid railway vechicles［J］．RTRI Report，2010，51（3）：115－120．

［3］ Scott Ｄ Ｓ，Rogner R g，Scott S o．Fuel cell locomotives in Canada［J］．Hydrogen Energy，1993，18（3）：256－263．

［4］ Peter Mizsey，Esmond Newson．Comparison of different vehicle power trains［J］．Journal of Power Sources，2001（2）：205－209．