燃料電池／蓄電池混合動力車輛能效評估

潘西湘，王月明，唐 陽

（西南交通大學 機械學院 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生清潔高效的動力而備受關注。為替代傳統車輛內燃機驅動以及今后替代電力驅動，鐵路技術研究所研發了用燃料電池驅動的新型車輛，引入了足以驅動至少一輛車的100kW級燃料電池系統（簡稱FC系統），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車輛的加速性能，而且不能利用再生能量［1］。本研究中，開發了鋰離子電池系統（簡稱Li－batt）、電池DC／DC變流器（Batt變流器）以及FC／Batt混合動力系統監控器，并將它們與FC系統一起安裝在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。本文將闡述上述研發過程及不同運行條件下能源效率及燃料消耗率的評估結果。

1 FC／Batt混合動力系統的研發

1．1 系統試驗車的技術參數

本研究中，構建了FC／Batt混合動力系統，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。混合動力系統包括：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變流器構成的Batt變流器；兩個輸出功率為95kW的三相感應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混合動力系統后列車輸出的數據較傳統車輛得到了改善［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%，且實現了再生制動。

圖1 FC／Batt混合動力試驗車輛

1．2 系統結構

FC／Batt混合動力系統很好地結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。為充分利用感應電機產生的再生能量，FC／Batt混合動力系統采用了如圖2所示的結構。該結構具有傳統牽引系統的特點，如工作條件要求低、可簡化主電路等，最合適安裝于傳統車輛上。

圖2 FC／Batt混合動力系統的結構框圖

1．3 鋰電池的研發

鋰離子電池因具有性能好、可靠性高、價格便宜等優點而被選作為混合動力系統的蓄電池。在傳統鋰離子電池的基礎上，對本系統所用鋰電池的充電和放電電流密度進行了新的設計，使其是傳統鋰離子電池容量的10倍。本系統采用的電池技術參數為：額定電壓604．8V，容量60Ah，功率360kW。電池采用了168塊串聯、2組并聯的結構。

1．4 Batt變流器的研發

為將鋰離子電池應用于混合動力系統，研發了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混合動力系統的控制

通過從牽引逆變器（INV）、鋰離子電池、FC系統及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。提前設置了充電SOC目標值（CEO）和放電SOC目標值（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。當車輛速度大于5 km／h時，認為車輛處于運行中，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會比靜止狀態（或車輛速度低于5km／h）的低。當車輛需要在較高SOC條件下進行測試時，則需要鋰離子電池提供加速能量。

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

3 FC／Batt混合動力系統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，并基于試驗結果對混合動力系統的燃料消耗率及能源效率進行了評估。本文對有無等待SOC恢復及是否開啟空調等三種工況下的輸出進行了比較［3］。

3．1 空調關閉時燃料消耗率和效率的評估

圖3為帶有SOC恢復及空調關閉情況下（工況1）的連續運行試驗結果。在有SOC恢復情況下，只要有燃料就可一直進行運行試驗。基于SOC維持在60%情況下（除了第一次以外）連續進行了30次試驗。

圖4為沒有SOC恢復及空調關閉情況下（工況2）的試驗結果。在沒有SOC恢復的情況下，隨著運行試驗的進行SOC值漸漸降低，當SOC值低于30%時試驗結束。本工況下，當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下連續運行試驗結果

圖4 工況2下連續運行試驗結果

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：當空調關閉，無SOC恢復下，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于有SOC恢復情況。

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 空調開啟時燃料消耗率和效率的評估

圖5為沒有SOC恢復及空調開啟情況下（工況3）連續運行試驗的結果。本工況下，當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的差別僅僅是空調的開關與否，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恢復到60%均需要花3min左右。

圖5 工況3下連續運行試驗結果

4 結論

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

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．