鋁空燃料電池在高速磁浮列車中的應用

陳 星，馬齊林

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.北京北交思遠科技發展有限公司，北京 100000）

目前，我國高速磁浮列車最高試驗運行速度達到503km/h，最高實際營運時速可達430km/h。隨著時間的推移和技術的創新研發，將會出現營運時速達到600km/h以上的高速磁浮列車，其也必然會成為主要的長距離交通運輸工具之一。

不過，高速磁懸浮列車的長距離運行會帶來新的技術問題。在長距離運行線路中，保證列車在任一地點因故障停車時，乘客的乘車環境都能夠保持舒適，就是其中的一個技術問題。高速磁浮列車在等待救援時，需要由地面電源或車載電源為車載空調、照明等系統供電。如果采用地面電源方式為列車供電，需要在全線路磁浮軌道鋪設接觸式供電軌或非接觸器供電線圈。這樣極大地增加了高速磁浮軌道的投資成本，也增加了維護成本和供電成本。此外，高速磁浮列車具有高可靠冗余性設計，使得列車故障停車的概率較小，從而使得全線路鋪設供電軌或供電線圈的經濟效益極低。因此，高速磁浮列車故障停車等待救援時，選擇長期存放不失電的車載電源為車載空調、照明及動力電池等設備供電比較合理。

1 現狀分析

目前可以作為高速磁浮列車車載儲能系統的電源，主要有二次電池（如堿性電池、鋰電池等）和燃料電池（如氫燃料電池、鋁空燃料電池等）兩種類型電源裝置。

二次電池可以充放電，具有可以重復多次使用的優點，不過二次電池長時間存放會導致電池放電量減少，同時存在重量較大且需要增加電池充電控制邏輯電路設計等技術問題。而燃料電池雖然具有長時間存放不失電的優點，卻不能夠二次充電。其中，氫燃料電池存在安全性隱患，并且重量較大，制造成本較高。相對其他類型燃料電池來說，鋁空電池具有能量密度大、安全性高、資源豐富、制造成本低、重量輕、清潔易回收等優點，因此將鋁空燃料電池作為高速磁浮列車備用儲能系統是一種較為理想的選擇。

不過，目前鋁空電池尚未應用于軌道交通行業，還需要結合高速磁浮列車的接口關系進行技術研發。此外，鋁空燃料電池作為車載備用電源系統有以下兩個主要問題亟待解決：（1）放電時負載特性較軟；（2）放電時會產生大量熱能。

下面對鋁空燃料電池系統如何與高速磁浮列車進行集成進行分析，然后簡述以上兩個制約問題的解決方向。

2 鋁空燃料電池系統組成

鋁空燃料電池系統主要由啟動電源、電池管理系統、電池反應堆、液流泵、冷卻風機、電解液箱及其加熱裝置等部件組成。其中，啟動電源主要用來為電池管理系統和液流泵供電；液流泵主要是用于將電解液箱中的電解液抽入電池反應堆中，并維持電解液流動循環；電池反應堆主要是用來將化學能轉化為電能和熱能；散熱片主要是用于降低電池電解液的溫度；冷卻風機主要是用于將散熱片中的熱能帶走，并保證電池反應堆中有足夠的氧氣；電池管理系統主要用于鋁空電池系統的啟停、加熱及通風等控制，也用于監控電池的工作狀態并將故障信息及時反饋給列車診斷系統；電解液箱主要用于存放電解液；加熱裝置主要用于防止電解液箱在寒冷天氣下凍結。

鋁空燃料電池放電時，需要液流泵將電解液箱中的電解液抽入電池反應堆中，且持續時間很短，而高速磁浮列車的車載二次電池可以作為鋁空電池的啟動電源。當鋁空電池反應堆發出電時，又可以為鋁空電池管理系統、液流泵和列車負載等設備供電。這樣便實現了鋁空燃料電池的發電過程，鋁空燃料電池系統示意圖見圖1。

3 鋁空燃料電池供電策略

鋁空電池放電時負載特性較軟，意味著帶載放電時負載越大電池輸出電壓就會越低，并且鋁空電池發熱就越多。這就需要在列車應急負載的功率及工作電壓中取得一個平衡點，即在列車負載額定工作電壓范圍內，盡可能減少車載應急負載，同時盡可能增加鋁空電池的放電功率。

高速磁浮車載動力電網電壓是由升壓斬波器將低壓直流輸入電源，并將其轉化為合適的高電壓直流電源。這樣可以利用升壓斬波器將相對寬范圍低電壓內的鋁空電池電源電壓轉化為列車應急負載可用電壓。

為滿足高速磁浮列車等待救援的負載需求，應在滿足列車救援負載能耗情況下盡可能多地布置鋁空電池（或提高鋁空電池功率）。確定布設車載鋁空燃料電池的數量不僅與自身發電功率及容量相關，還與列車的用電功率、控制策略及冗余設計相關。高速磁浮列車等待救援時，主要為空調、照明和車載動力電池等負載供電，其他列車非必要負載不供電。這樣在負載功率相對較小的情況下，利用升壓斬波器限功率的方式，盡可能設置多臺鋁空電池進行并聯，這樣不僅可以減少單臺鋁空電池的放電功率，還能夠減少鋁空電池的發熱量。同時，也可以為列車等待救援爭取更多的時間。

圖1 鋁空燃料電池系統示意圖

圖2 高速磁浮列車備用儲能系統示意圖

為實現以上設計需求，需要在鋁空燃料電池的輸出端增設單向二極管和輸出接觸器，以便于實現多組鋁空電池的并聯和切除。鋁空電池的故障切除和列車其他非必需負載的故障切除均可以通過列車診斷及控制系統進行控制。這樣便實現了鋁空燃料電池與列車供電網絡的接口關系，高速磁浮列車備用儲能系統示意圖見圖2。此外，在列車條件允許的情況下，也可以考慮利用空調系統排出的冷空氣對鋁空電池進行散熱處理。

4 結束語

鋁空燃料電池具有能量密度大、安全性高、資源豐富、制造成本低、重量輕、清潔易回收及長期存放不失電等優點。在高速磁浮列車系統既有電力設備的基礎上，以鋁空電池作為高速磁浮列車的備用電源，是一種較為合理的技術應用，可以為高速磁浮列車的長距離運行提供供電保障，解決列車因供電故障停止運行而供電不足問題。