氫-鋰電混合動(dòng)力中低速磁浮列車的設(shè)計(jì)

（北京中車長(zhǎng)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(xiàn)代高科技交通工具，它通過(guò)電磁力實(shí)現(xiàn)列車牽引、懸浮和導(dǎo)向，較常規(guī)地鐵車輛具有噪聲低、爬坡能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，特別適合于市內(nèi)高架運(yùn)行及旅游專線。因接觸軌及變電所建設(shè)成本及其他因素，部分線路不適合全線鋪設(shè)供電軌，針對(duì)這種線路，亟需車輛自帶動(dòng)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(kù)內(nèi)調(diào)車使用。采用超級(jí)電容做為儲(chǔ)能單元的磁浮列車可作為磁浮客運(yùn)車輛使用，但需要在每個(gè)站臺(tái)設(shè)置充電設(shè)備為超級(jí)電容充電，站臺(tái)建設(shè)成本高。該文設(shè)計(jì)的磁浮列車采用燃料電池+鋰電池混合動(dòng)力技術(shù)，解決了車輛自帶動(dòng)力運(yùn)營(yíng)里程短的問(wèn)題。氫-鋰電混合動(dòng)力系統(tǒng)在磁浮列車上的應(yīng)用功能主要有：氫燃料電池獨(dú)立提供電能驅(qū)動(dòng)磁浮列車運(yùn)行；鋰電池獨(dú)立提供電能驅(qū)動(dòng)磁浮列車運(yùn)行；氫燃料電池和鋰電池共同提供能量驅(qū)動(dòng)磁浮列車運(yùn)行；受流器提供能量驅(qū)動(dòng)磁浮列車運(yùn)行；氫燃料電池給鋰電池充電；列車制動(dòng)能量回收給鋰電池充電等功能。

1 車輛組成

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

與商業(yè)運(yùn)營(yíng)線路北京S1線和長(zhǎng)沙線類似，每節(jié)車輛配置5個(gè)懸浮架，懸浮架通過(guò)滑臺(tái)與車體底架相連。牽引電機(jī)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(diào)機(jī)組和儲(chǔ)氫系統(tǒng)安裝于車頂。每節(jié)車車頂設(shè)置2個(gè)空調(diào)機(jī)組和1個(gè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

2 車輛性能特性

車輛的頂層參數(shù)見(jiàn)表1。

3 燃料電池

燃料電池將燃料具有的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的約束，理論上可以在接近100%的熱效率下運(yùn)行。同時(shí)燃料電池不包括運(yùn)動(dòng)部件，工作非常可靠。從1839年由W.Grove提出到現(xiàn)在已經(jīng)有180多年的歷史。我國(guó)從1958年開(kāi)始研究燃料電池，目前中國(guó)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(zhì)子交換膜燃料電池等[2-4]。質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池作為磁浮車輛動(dòng)力能源。

4 基本原理

燃料電池是車輛能量的主要來(lái)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(dá)燃料電池的陽(yáng)極后，在催化劑的作用下氫分子中的電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)燃料電池的陰極，而電子不能通過(guò)質(zhì)子交換膜，只能通過(guò)外電路到達(dá)燃料電池的陰極，在這過(guò)程中外電路產(chǎn)生了電流。回到燃料電池陰極的電子與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。

表1 車輛性能參數(shù)

5 燃料電池配置

燃料電池主要包括4個(gè)WFC85燃料電池模塊及附件系統(tǒng)，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 燃料電池模塊參數(shù)

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池原理

6 儲(chǔ)氫系統(tǒng)

儲(chǔ)氫系統(tǒng)用于儲(chǔ)存高壓氫氣，提供給燃料電池用于化學(xué)反應(yīng)生成電能。主要器件包括18瓶組儲(chǔ)氫系統(tǒng)及與燃料電池連接的管路。儲(chǔ)氫系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 儲(chǔ)氫系統(tǒng)參數(shù)

7 供電系統(tǒng)

為了增強(qiáng)列車的適應(yīng)性，為每節(jié)車配備了3種電源。1） 通過(guò)受流器從電網(wǎng)受流。2）通過(guò)燃料電池提供電能。3）通過(guò)鋰動(dòng)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(shè)計(jì)了DC/DC電源裝置，該電源能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng)，與高壓電器箱配合實(shí)現(xiàn)3種電源的無(wú)縫連接。DC/DC電源與鋰動(dòng)力電池和燃料電池通過(guò)CAN通信方式實(shí)現(xiàn)信息共享，實(shí)現(xiàn)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(guò)高壓母線相連，當(dāng)其中1節(jié)車供電系統(tǒng)故障時(shí)，其他車輛為故障車供電，不影響整車動(dòng)力輸出。

圖2 車輛供電系統(tǒng)

8 系統(tǒng)構(gòu)成

8.1 車體及車下電氣設(shè)備布置

車體結(jié)構(gòu)采用中空閉口的鋁合金型材全焊接整體結(jié)構(gòu)。懸浮車輛車下設(shè)備多，空間受限，電氣設(shè)備在設(shè)計(jì)的初期就要規(guī)定最大設(shè)計(jì)尺寸，防止車輛在運(yùn)行時(shí)與懸浮架干涉。為了達(dá)到更好的電磁兼容效果，該設(shè)計(jì)車輛車下電氣布線采用高、低壓分開(kāi)走線，并在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾悠帘尉W(wǎng)，防止因電磁干擾導(dǎo)致設(shè)備異常工作。圖3為端車車下布置方案，每個(gè)懸浮控制器控制2個(gè)電磁鐵線包，每節(jié)車配置20個(gè)懸浮控制器。

8.2 制動(dòng)系統(tǒng)

列車的常用制動(dòng)采用電制動(dòng)，制動(dòng)能量通過(guò)DC/DC電源回收到鋰電池，根據(jù)不同線路條件對(duì)鋰電池采用不同的充、放電策略，最大限度地回收制動(dòng)能量。車輛低速時(shí)電制動(dòng)不能產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力，此時(shí)采用液壓制動(dòng)補(bǔ)足制動(dòng)力。液壓制動(dòng)系統(tǒng)采用車控方式，每輛車安裝10套制動(dòng)夾鉗，滿足70‰的坡道停車要求。

8.3 牽引系統(tǒng)

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

列車在運(yùn)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(dòng)力學(xué)阻力。按照HSST-100L給出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)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(shù)）如公式（5）所示。

空氣動(dòng)力學(xué)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(shù)；W為車重，t；V為車速，m/s；α為坡角；g為重力加速度。

根據(jù)電機(jī)及車輛參數(shù)，計(jì)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(tǒng)

懸浮系統(tǒng)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(yù)定范圍內(nèi)，使車輛穩(wěn)定懸浮并在運(yùn)行中快速跟蹤軌道。懸浮系統(tǒng)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(shè)置了20個(gè)懸浮控制器對(duì)懸浮電磁鐵獨(dú)立控制，發(fā)生單點(diǎn)懸浮故障時(shí)不影響整車運(yùn)行。

8.5 受流器控制系統(tǒng)

由于車輛運(yùn)行于電氣化和非電氣化區(qū)間，受流器會(huì)根據(jù)有無(wú)供電軌而進(jìn)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(lái)接收來(lái)自地面的位置信息，自動(dòng)識(shí)別車輛所在位置的接觸軌狀態(tài)，根據(jù)位置信息進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)）

圖4 牽引特性曲線（3編組）

9 結(jié)語(yǔ)

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(duì)車輛各電氣系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)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(duì)于其他能源仍然較高。從環(huán)保和軌道建設(shè)成本上來(lái)說(shuō)，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(shù)的發(fā)展，燃料電池的功率等問(wèn)題會(huì)得到逐步解決，基于燃料電池的中低速磁浮車輛會(huì)有更好的發(fā)展前景。