鉅大LARGE | 點擊量：1156次 | 2019年05月23日
軌道交通燃料電池/鋰電池混合動力的關鍵技術是什么
4月24-26日，由中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月26日上午的“氫能與燃料電池“專場，西南交通大學/國家軌道交通電氣化與自動化工程技術研究中心副教授、博士生導師戴朝華在會上分享了主題報告《軌道交通燃料電池/鋰電池混合動力關鍵技術》，以下為演講實錄：
戴朝華：大家好！我們實驗室主要關注軌道交通新能源，主要是兩個方面：一個是我們把太陽能、風電等新能源，根據需要考慮儲能，接入電氣化鐵路牽引供電系統。另外一個方面是車載的，軌道交通車載新能源，主要關注燃料電池、光伏、鋰電池等在車上的應用。燃料電池方面，主要考慮大功率的低溫質子交換膜燃料電池。當然也在關注高溫質子交換膜和低溫的固體氧化物，主要是考慮余熱利用，提高整個系統的能量利用率。今天向大家匯報的，主要是我們團隊近年來在軌道交通車載低溫質子交換膜燃料電池和鈦酸鋰電池構成的混合動力系統方面的應用情況。
主要從三個方面做這個匯報。首先是研究背景，氫能首次寫入李克強總理的政府工作報告，說明從國家層面在推動，氫能會有一個很好的發展。另外就是我們國家工業制氫的情況，每年2500萬噸的制氫量，還有風、光、水方面的“三棄”，每年大概1000億kWh的棄電，如果用來電解制氫，大概可以制200萬噸，所以我們國家氫源是豐富的。另外，軌道交通方面，中國擁有世界上最復雜、最龐大的一個鐵路網，每年電氣化鐵路耗電量是600多億多度電。另外還有30%采用內燃機車。可見軌道交通的節能減排壓力是非常大的。
燃料電池具有高效、環保的特點，在軌道交通方面，有一個非常好的應用潛力。我們團隊，尤其是我們團隊負責人陳維榮教授，一直在推動燃料電池在以下幾種場景的應用。第一個就是城際動車組，目前在做這方面的方案。另外一個就是城市動車組，時速在120公里水平的車。然后就是有軌電車，這個燃料電池車我們已經有了，除此之外，站場調車、工程作業車，采用燃料電池作為它的動力，也是很好的選擇。所以說我們實驗室主要關注大功率燃料電池在軌道交通中的應用，我們團隊負責人陳教授的有一個觀點，燃料電池更適合應用于軌道交通，所以我們一直非常有信心，燃料電池軌道交通會有一個美好的明天。當然我們也兼顧了其他的公共交通、特種應用等等。
第二，關鍵技術。第一個關鍵技術就是軌道交通燃料電池混合動力系統匹配與模擬仿真，系統匹配就是基于線路、車輛和運行指標設計燃料電池、儲能的拓撲與參數，在滿足電力電量實時平衡、體積重量、動力性能等約束條件下，使得全生命周期成本最低、系統效率最高等。匹配完成后，通過模擬仿真驗證可行性，涉及牽引計算、能量管理、故障處理等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第二個關鍵技術，就是燃料電池系統控制。大家知道，豐田的大巴和乘用車，混合動力系統拓撲和控制都是不一樣的，就是因為兩者工況不一樣。軌道交通的工況，完全不同于汽車，在數秒內會出現上千安的電流波動，即使有儲能來跟蹤負荷變化，但母線電壓仍然會出現劇烈波動，對燃料電池的影響是非常大的。因此，軌道交通燃料電池系統控制，非常重要。對此，我們有十年左右的研究。燃料電池系統控制，主要關注四個控制目標，那就是滿足負載功率的需求、提高效率、延長壽命，在許可的情況下盡量提高它的響應速度。影響這四大目標的影響因素，包括溫度、壓力、濕度、還有氣體和汽液的動態時空分布。結合軌道交通工況，怎么樣開展燃料系統的控制，使得上面的多物理場多時空尺度的均衡分布，滿足四大目標的實現，這是我們關心的問題。
為研究控制問題，需要系統建模。針對陰極側的控制，我們關注最佳過氧比，就是OER，由常值最優OER控制，到曲線最優OER，再到區域最優OER，主要是降低空壓機的自身功耗，提高系統的效率，避免“氧饑餓”或“氧飽和”現象。另外，氫氣供應側的一些控制，也是跟隨負載的變化，跟陰極的壓力耦合，提出一些相應的控制方法。另外，就是熱管理方面，我們也是多個方面的控制，主要針對循環泵和散熱風機之間的耦合控制，結合到負載的變化還有跟陰陽兩極的壓力變化來進行一個綜合控制，滿足溫度值和溫度均衡性，并力求以最小的代價達到目的。
在軌道交通方面，整個系統的拓撲是稍微比較復雜一些，為此我們開展了各種能量管理的策略研究，結合軌道交通車輛的工況，做了一些能量管理方面的工作，具體策略就不說了。另外就是故障診斷、健康管理這個方面。現在軌道交通也有所謂的智慧甚至自主的控制，對軌道交通車輛在快速運行的情況下，怎么樣進行在線的故障診斷、壽命預測等等方面的工作。在這方面也是我們的一個關注點。
對此，我們針對軌道交通，開展燃料電池系統，還有能量管理控制器的研制。不同于汽車，為降低成本，控制器都是基于單片機，而軌道交通，更關注可靠性，因此我們基于PLC進行開發。另外就是動力電池方面，儲能方面，因為軌道交通對于安全的要求是非常高的。大家也知道，7.23事故，影響非常大。安全對軌道交通來說是壓倒一切，所以我們不會考慮在軌道交通上面使用三元甚至磷酸鐵鋰。目前我們只選擇鈦酸鋰電池，主要是基于它的安全性。聯合一些電池的生產廠家，做一些專門針對軌道交通的儲能系統研發。我們主要關注大倍率，因為軌道交通數秒有上千安的電流變化，所以必須大倍率。這個火車，可能從南開到北，一年四季，氣候變化非常大，也要求具有很好的溫度適用性。電芯是跟四川國創成來合作，我們學校主要做四大管理，就是熱管理、均衡管理、安全管理和壽命管理。
下面匯報一下我們的研究成果。我們主要針對燃料電池、動力電池在軌道交通方面的工作。我們的項目，從國家到部級到省級，都是燃料電池和軌道交通方面相關的。這是2013年我們團隊研制的國內首輛燃料電池電動調車機車，采用的是地鐵實際在用的調車。這個就是2016年4月份做的一個燃料電池混合動力的有軌電車。上面這是樣車研制時候的樣子。現在這個車放在唐山，就是下面這個圖，刷成紅色了，想作為唐山的工業旅游線路的交通工具。現在這個車準備再開展為期兩年的運行。一直在做這種試驗測試工作。這是當時我們這個車儲能還有燃料電池系統的布局。這是當時這個車出來的時候的視頻。
總之，我們就是關注燃料電池在軌道交通方面的應用，我們主要關注大功率的燃料電池，當然為了培養學生也在叉車、觀光車等等方面做一些相應的研究。這是我們的論文、專利情況。謝謝大家！
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