氫-鋰電混合動力中低速磁浮列車的設計

（北京中車長客二七軌道裝備有限公司，北京 100068）

0 引言

中低速磁浮列車是一種現代高科技交通工具，它通過電磁力實現列車牽引、懸浮和導向，較常規(guī)地鐵車輛具有噪聲低、爬坡能力強等特點[1]，特別適合于市內高架運行及旅游專線。因接觸軌及變電所建設成本及其他因素，部分線路不適合全線鋪設供電軌，針對這種線路，亟需車輛自帶動力。目前磁浮列車因空間及重量限制，配置的電池容量低，僅能用于庫內調車使用。采用超級電容做為儲能單元的磁浮列車可作為磁浮客運車輛使用，但需要在每個站臺設置充電設備為超級電容充電，站臺建設成本高。該文設計的磁浮列車采用燃料電池+鋰電池混合動力技術，解決了車輛自帶動力運營里程短的問題。氫-鋰電混合動力系統在磁浮列車上的應用功能主要有：氫燃料電池獨立提供電能驅動磁浮列車運行；鋰電池獨立提供電能驅動磁浮列車運行；氫燃料電池和鋰電池共同提供能量驅動磁浮列車運行；受流器提供能量驅動磁浮列車運行；氫燃料電池給鋰電池充電；列車制動能量回收給鋰電池充電等功能。

1 車輛組成

氫-鋰電混合動力磁浮列車包括端車和中車2種車型，2種車型均帶自動力，根據不同線路及運量需求，可設置不同的編組。端車和中車的主要區(qū)別是端車設置了司機室和操縱臺，其他包括牽引系統、制動系統、懸浮系統配置基本相同。

與商業(yè)運營線路北京S1線和長沙線類似，每節(jié)車輛配置5個懸浮架，懸浮架通過滑臺與車體底架相連。牽引電機及懸浮電磁鐵安裝于懸浮架，牽引逆變器、燃料電池、鋰電池、高壓箱、DC/DC電源安裝于車體底架，空調機組和儲氫系統安裝于車頂。每節(jié)車車頂設置2個空調機組和1個儲氫系統。

2 車輛性能特性

車輛的頂層參數見表1。

3 燃料電池

燃料電池將燃料具有的化學能中的吉布斯自由能部分轉換為電能，不受卡諾循環(huán)效應的約束，理論上可以在接近100%的熱效率下運行。同時燃料電池不包括運動部件，工作非?？煽俊?839年由W.Grove提出到現在已經有180多年的歷史。我國從1958年開始研究燃料電池，目前中國的燃料電池主要包括生物燃料電池、磷酸燃料電池以及熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等[2-4]。質子交換膜燃料電池因其具有優(yōu)異的性能，適合在車載中使用。該文選用質子交換膜燃料電池作為磁浮車輛動力能源。

4 基本原理

燃料電池是車輛能量的主要來源，其工作原理如公式（1）和公式（2）所示。

氫燃料電池的工作原理示意圖如圖1所示。

氫氣到達燃料電池的陽極后，在催化劑的作用下氫分子中的電子被分離出來，失去電子的氫離子穿過質子交換膜到達燃料電池的陰極，而電子不能通過質子交換膜，只能通過外電路到達燃料電池的陰極，在這過程中外電路產生了電流?；氐饺剂想姵仃帢O的電子與氧原子和氫離子重新結合為水。

表1 車輛性能參數

5 燃料電池配置

燃料電池主要包括4個WFC85燃料電池模塊及附件系統，主要參數見表2。

表2 燃料電池模塊參數

圖1 質子交換膜燃料電池原理

6 儲氫系統

儲氫系統用于儲存高壓氫氣，提供給燃料電池用于化學反應生成電能。主要器件包括18瓶組儲氫系統及與燃料電池連接的管路。儲氫系統的參數見表3。

表3 儲氫系統參數

7 供電系統

為了增強列車的適應性，為每節(jié)車配備了3種電源。1） 通過受流器從電網受流。2）通過燃料電池提供電能。3）通過鋰動力電池提供電能。單節(jié)車的供電主回路如圖2所示。主電路中設計了DC/DC電源裝置，該電源能夠實現能量雙向流動，與高壓電器箱配合實現3種電源的無縫連接。DC/DC電源與鋰動力電池和燃料電池通過CAN通信方式實現信息共享，實現能量最優(yōu)配置。三者能量流向已在圖中示出。每節(jié)車之間通過高壓母線相連，當其中1節(jié)車供電系統故障時，其他車輛為故障車供電，不影響整車動力輸出。

圖2 車輛供電系統

8 系統構成

8.1 車體及車下電氣設備布置

車體結構采用中空閉口的鋁合金型材全焊接整體結構。懸浮車輛車下設備多，空間受限，電氣設備在設計的初期就要規(guī)定最大設計尺寸，防止車輛在運行時與懸浮架干涉。為了達到更好的電磁兼容效果，該設計車輛車下電氣布線采用高、低壓分開走線，并在適當的位置增加屏蔽網，防止因電磁干擾導致設備異常工作。圖3為端車車下布置方案，每個懸浮控制器控制2個電磁鐵線包，每節(jié)車配置20個懸浮控制器。

8.2 制動系統

列車的常用制動采用電制動，制動能量通過DC/DC電源回收到鋰電池，根據不同線路條件對鋰電池采用不同的充、放電策略，最大限度地回收制動能量。車輛低速時電制動不能產生足夠的制動力，此時采用液壓制動補足制動力。液壓制動系統采用車控方式，每輛車安裝10套制動夾鉗，滿足70‰的坡道停車要求。

8.3 牽引系統

每節(jié)車設置了1臺牽引逆變器和10臺直線電機，電機的連接方式為5串2并。電源由燃料電池和鋰電池通過雙向DC/DC提供，也可通過受流器為牽引逆變器直接提供能量。

列車在運行中所受到的阻力主要包括電磁阻力、受流器阻力、坡道阻力和空氣動力學阻力。按照HSST-100L給出的計算公式進行計算。

電磁阻力如公式（3）和公式（4）所示。

受流器阻力（基本是常數）如公式（5）所示。

空氣動力學阻力如公式（6）所示。

坡道阻力如公式（7）所示。

總阻力如公式（8）所示。

式中：N為車輛數；W為車重，t；V為車速，m/s；α為坡角；g為重力加速度。

根據電機及車輛參數，計算得到的整車牽引特性曲線如圖4所示（以3節(jié)編組為例，平直道）。

8.4 懸浮系統

懸浮系統的主要功能是保證懸浮電磁鐵與F軌間的間隙始終保持在預定范圍內，使車輛穩(wěn)定懸浮并在運行中快速跟蹤軌道。懸浮系統主要由懸浮控制器、懸浮傳感器和懸浮電磁鐵組成，每節(jié)車設置了20個懸浮控制器對懸浮電磁鐵獨立控制，發(fā)生單點懸浮故障時不影響整車運行。

8.5 受流器控制系統

由于車輛運行于電氣化和非電氣化區(qū)間，受流器會根據有無供電軌而進行頻繁的升/降靴工作。因此，在列車上安裝了受流器控制裝置來接收來自地面的位置信息，自動識別車輛所在位置的接觸軌狀態(tài)，根據位置信息進行升/降靴控制，保證供電軌及行車安全。

圖3 端車車下布置（不包括懸浮架及制動系統）

圖4 牽引特性曲線（3編組）

9 結語

該文提出了基于燃料電池和鋰電池供電的中低速磁浮列車的方案，對車輛各電氣系統進行了簡單的介紹，通過計算驗證了方案的可行性。該車輛是一種節(jié)能、環(huán)保、高效的新型列車，截至目前，燃料電池的功率還很有限，成本相對于其他能源仍然較高。從環(huán)保和軌道建設成本上來說，基于氫燃料電池和鋰電池供電的磁浮車輛是一種具有巨大潛力的軌道交通工具。隨著燃料電池技術的發(fā)展，燃料電池的功率等問題會得到逐步解決，基于燃料電池的中低速磁浮車輛會有更好的發(fā)展前景。