氢能源轨道车辆及动力系统发展与创新

氢能源轨道车辆及动力系统发展与创新

石锦1      张川2   关超3

1.成都轨道交通产业技术研究院有限公司    四川省成都市   610036

2.成都中车长客轨道车辆有限公司   四川省成都市   611430

3.中车长春轨道客车股份有限公司    吉林省长春市   130000

摘要：在铁路运输领域,虽然电力机车大大减少了与内燃机相关的环境问题,氢气铁路车辆试验线是铁路车辆开发企业内部的试验线,通常建成的接触网满足铁路车辆试运行要求,具有弓网电流氢站为固定对象,接触网附近存在安全隐患。

关键词：氢能源轨道车辆；动力系统发展；创新；

前言：随着环境的不断恶化和能源危机的加剧,氢能因其来源广效率高等特点,得到了行业的支撑,并作为重点科研项目之一进行了深入研究。

一、研究背景意义

随着社会主义市场经济的发展和城镇化进程的加快,城市轨道交通的发展已成为许多城市的有效解决方案,不同城市和地区对铁路运输的需求不同,每个城市的地理特征也为铁路运输系统的不同发展提供了空间。经济的快速增长伴随着一系列的环境污染问题，一些城市有三四条路线,经济发展迅速,城市地区人流量增加,道路交通拥堵严重。他们还迫切需要建立铁路运输来缓解运输压力虽然一些城市地区可以满足铁路建设的需求,但人流量不能满足地铁和几条单轨建设的需求。有必要研究小型快递运输,以满足小型运输的需求,同时降低施工成本。利用氢能作为车辆的能源来源,不仅保证了低碳环保,而且解决了城市轨道交通需要建立联系网络的问题不仅节省了整体投资费用,而且不影响城市的美丽。还可以为不同的城市和地区提供选择,特别是那些人流不符合地铁要求和建设多条单轨的地区。利用氢气作为高速车辆的动力源不同于传统的城市轨道车辆供电接触网,其中动力传输系统是车辆的关键部件,车辆在使用氢能后应合理设计动力传输系统并相应优化相关参数,以提高车辆的经济性,在保证动态性能的前提下。因此有必要制定基于氢动力车辆的动力传动系统的方案和比较分析。

二、氢能源轨道车辆及动力系统

接触网和电池混合动力列车。由牵引变换器、DC/DC变换器、动力电池、辅助电源单元和控制系统组成。与其他车辆不同,轨道车辆需要高功率加速,但由于低摩擦,以满足加速峰值电力需求,需要大容量高压牵引电池。因此,用作辅助储能器的电池必须能够储存足够的能量,以提供超过连续额定功率的功率。当列车在电气化区域运行时,带接触网和电池的混合动力列车通过电流接收器从接触网接收电力并为电池充电;当在非电气化道路上断开网络或接触网络时,牵引电机分别通过DC / DC转换器由超级电容器和动力电池供电。列车的主电路从接触网获取电力,并通过DC / DC转换器将牵引电机输送到DC600 V,当电池处于低状态时开始充电。其中,DC/DC转换器控制所有牵引辅助动力装置和电池接触网的电能。当电池达到设计电压的上限时,牵引和辅助动力装置的能量由接触网络提供。

柴油机-蓄电池。该混合动力模式的列车须同时具备柴油机动力源和电动机电力源,具有串联或并联 2 种混合动力系统。 列车处于串联混合动力模式内燃发动机动力包产生的动力为列车行驶时的动力源,蓄电池根据车辆行驶所需功率的不同进行充放电,起到平衡串联混合动力系统中的功率的作用;并联混合动力模式:柴油机动力源和电动机电力源同时为车辆提供动力,分别通过变速器将产生的动力传递到车轮上。对于主流的柴电混合动力列车牵引传动系统,电源均采用主交流发电机和辅助交流发电机,使用逆变器通过牵引同步电机起动柴油发动机,简化柴油发动机的机械部分。 采用串联式混合动力的列车结内燃机和发电机组成的动力包位于车身底架部位,蓄电池单元作为主动力源安装于车顶位置,便于之后电池的应用。

燃料电池混合动力传动系统的三种方案各有其优缺点,在实际应用中必须根据不同的型号、结构和不同的工作条件做出合理的选择。当车辆由燃料电池驱动时,燃料电池和动力电池一起工作。汽车在启动、加速和提升模式下,动力元件提供部分瞬时功率,缩短车辆启动时间,避免燃料元件功率的瞬时变化。此外,在汽车制动时,作为能量储存器,动力电池还可以恢复部分制动能量。该方案的优点是:燃料电池功率要求低,成本低,燃料电池动态性能要求低,发射性能好,可靠性高。同样,它有以下缺点:更清洁的燃料电池,它们的结构和控制逻辑更复杂;当车辆紧急制动时,瞬时恢复电流较高,可能会对动力电池造成一些损坏。其瞬时功率大于动力装置,车辆传动性能优于动力装置燃料电池电路。但超级电容器的能量密度低,放电时间和充放电电流难以控制。燃料电池与动力电池和超级电容电路相结合,降低了对动力电池的比功率要求,特别注重比功率和循环寿命。超级电容器解决了比功率问题,特别是超级电容器在大电流放电和大电流制动能量回收中起着一定的作用,从而有效地防止了动力电池的放电。动力电池和超级电容器的组合使能量分配更加合理,并有助于延长动力电池的使用寿命。

三、发展与创新

技术。氢燃料电池列车将氢燃料电池与电池相结合,作为混合动力汽车与火车。首先,高压氢气由列车中的储氢罐填充,氢气通过管道输送到燃料电池中,反应完全后,产生的能量通过单面DC/DC变换器传送到牵引发动机,由功率变换装置驱动,最后驱动车轮前进。其中,由于燃料电池系统不具有高动态响应的特性,电池主要用于支持过渡情况,如加速和电动制动。氢燃料电池系统的主要部件是燃料电池反应器,通常由多个单壳元组成可以通过调节反应器中单壳元件的数量和尺寸来改变燃料电池的总功率,以满足实际功率和输出功率。

由于列车总体布局空间有限,合理布置各种动力装置尤为重要,燃料电池上的反应堆重量和体积较大,电池容易过热,安装位置通常在氢气储存系统主要用于加氢并确保火车运行所需的燃料电池的反应。目前主要有三种储氢方法高压压缩气体的物理储存、低温液态氢的物理储存和固态储存。氢燃料电池列车主要采用高压气体储氢技术将高压35MPa的氢气加注到储氢罐中,这与加注难度低运输成本低、能耗低以及成熟的储存技术有关,在运输行业得到广泛应用和推广并采用封闭式框架结构进行固定,防止机械损伤和紫外线辐射的负面影响。此外,在地板下储存大量氢燃料会带来安全问题,因为氢的挥发性和易燃性。氢储存系统的并与燃料电池上的反应器配置相匹配,保持整体车身形状,按照碳中和的理念,清洁能源、高效能源、低碳已成为世界铁路行业未来发展的共识。

随着新能源技术的快速发展,铁路运输将朝着铁路运输的绿色能源方向发展,新能源混合动力车的自我协调多样化以及分阶段绿色驾驶和能源管理的整体灵活性。因此,新能源列车在改善节能,高效和低碳铁路运输系统的结构方面具有巨大的潜力。氢动力轨道车辆适用于城市景观和没有接触网络的非电气化路线。氢能装置整个反应过程的唯一产物是水,真正的零排放绿色生态。列车的动力系统不依赖于外部电源,运行相对独立,机动性较好,列车行程可以根据氢气瓶的数量进行调整,既可以解决线路电气化问题,又可以消除列车短路中的瓶颈。配备氢能的轨道车辆确保氢气和发射场的连续运行。加氢站离发射站很近,加氢站可以满足列车长时间行驶或多次来回行驶的需要。

结论:氢能系统作为城市轨道交通中低容量的新系统已在客运运营阶段。不同的储能方式也为智能电车的运行提供了不同的选择。随着能源管理计划的不断优化和燃料电池性能的改善,后续措施将有助于进一步提高氢储存系统的可靠性和经济性以满足车辆的功率和航程要求。

参考文献：

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