轨道交通燃料电池/锂电池混合动力的关键技术是什么【钜大锂电】

4月24-26日，由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“氢能与燃料电池“专场，西南交通大学/国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心副教授、博士生导师戴朝华在会上分享了主题报告《轨道交通燃料电池/锂电池混合动力关键技术》，以下为演讲实录：

戴朝华：大家好！我们实验室主要关注轨道交通新能源，主要是两个方面：一个是我们把太阳能、风电等新能源，根据需要考虑储能，接入电气化铁路牵引供电系统。另外一个方面是车载的，轨道交通车载新能源，主要关注燃料电池、光伏、锂电池等在车上的应用。燃料电池方面，主要考虑大功率的低温质子交换膜燃料电池。当然也在关注高温质子交换膜和低温的固体氧化物，主要是考虑余热利用，提高整个系统的能量利用率。今天向大家汇报的，主要是我们团队近年来在轨道交通车载低温质子交换膜燃料电池和钛酸锂电池构成的混合动力系统方面的应用情况。

主要从三个方面做这个汇报。首先是研究背景，氢能首次写入李克强总理的政府工作报告，说明从国家层面在推动，氢能会有一个很好的发展。另外就是我们国家工业制氢的情况，每年2500万吨的制氢量，还有风、光、水方面的“三弃”，每年大概1000亿kWh的弃电，如果用来电解制氢，大概可以制200万吨，所以我们国家氢源是丰富的。另外，轨道交通方面，中国拥有世界上最复杂、最庞大的一个铁路网，每年电气化铁路耗电量是600多亿多度电。另外还有30%采用内燃机车。可见轨道交通的节能减排压力是非常大的。

燃料电池具有高效、环保的特点，在轨道交通方面，有一个非常好的应用潜力。我们团队，尤其是我们团队负责人陈维荣教授，一直在推动燃料电池在以下几种场景的应用。第一个就是城际动车组，目前在做这方面的方案。另外一个就是城市动车组，时速在120公里水平的车。然后就是有轨电车，这个燃料电池车我们已经有了，除此之外，站场调车、工程作业车，采用燃料电池作为它的动力，也是很好的选择。所以说我们实验室主要关注大功率燃料电池在轨道交通中的应用，我们团队负责人陈教授的有一个观点，燃料电池更适合应用于轨道交通，所以我们一直非常有信心，燃料电池轨道交通会有一个美好的明天。当然我们也兼顾了其他的公共交通、特种应用等等。

第二，关键技术。第一个关键技术就是轨道交通燃料电池混合动力系统匹配与模拟仿真，系统匹配就是基于线路、车辆和运行指标设计燃料电池、储能的拓扑与参数，在满足电力电量实时平衡、体积重量、动力性能等约束条件下，使得全生命周期成本最低、系统效率最高等。匹配完成后，通过模拟仿真验证可行性，涉及牵引计算、能量管理、故障处理等。

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第二个关键技术，就是燃料电池系统控制。大家知道，丰田的大巴和乘用车，混合动力系统拓扑和控制都是不一样的，就是因为两者工况不一样。轨道交通的工况，完全不同于汽车，在数秒内会出现上千安的电流波动，即使有储能来跟踪负荷变化，但母线电压仍然会出现剧烈波动，对燃料电池的影响是非常大的。因此，轨道交通燃料电池系统控制，非常重要。对此，我们有十年左右的研究。燃料电池系统控制，主要关注四个控制目标，那就是满足负载功率的需求、提高效率、延长寿命，在许可的情况下尽量提高它的响应速度。影响这四大目标的影响因素，包括温度、压力、湿度、还有气体和汽液的动态时空分布。结合轨道交通工况，怎么样开展燃料系统的控制，使得上面的多物理场多时空尺度的均衡分布，满足四大目标的实现，这是我们关心的问题。

为研究控制问题，需要系统建模。针对阴极侧的控制，我们关注最佳过氧比，就是OER，由常值最优OER控制，到曲线最优OER，再到区域最优OER，主要是降低空压机的自身功耗，提高系统的效率，避免“氧饥饿”或“氧饱和”现象。另外，氢气供应侧的一些控制，也是跟随负载的变化，跟阴极的压力耦合，提出一些相应的控制方法。另外，就是热管理方面，我们也是多个方面的控制，主要针对循环泵和散热风机之间的耦合控制，结合到负载的变化还有跟阴阳两极的压力变化来进行一个综合控制，满足温度值和温度均衡性，并力求以最小的代价达到目的。

在轨道交通方面，整个系统的拓扑是稍微比较复杂一些，为此我们开展了各种能量管理的策略研究，结合轨道交通车辆的工况，做了一些能量管理方面的工作，具体策略就不说了。另外就是故障诊断、健康管理这个方面。现在轨道交通也有所谓的智慧甚至自主的控制，对轨道交通车辆在快速运行的情况下，怎么样进行在线的故障诊断、寿命预测等等方面的工作。在这方面也是我们的一个关注点。

对此，我们针对轨道交通，开展燃料电池系统，还有能量管理控制器的研制。不同于汽车，为降低成本，控制器都是基于单片机，而轨道交通，更关注可靠性，因此我们基于PLC进行开发。另外就是动力电池方面，储能方面，因为轨道交通对于安全的要求是非常高的。大家也知道，7.23事故，影响非常大。安全对轨道交通来说是压倒一切，所以我们不会考虑在轨道交通上面使用三元甚至磷酸铁锂。目前我们只选择钛酸锂电池，主要是基于它的安全性。联合一些电池的生产厂家，做一些专门针对轨道交通的储能系统研发。我们主要关注大倍率，因为轨道交通数秒有上千安的电流变化，所以必须大倍率。这个火车，可能从南开到北，一年四季，气候变化非常大，也要求具有很好的温度适用性。电芯是跟四川国创成来合作，我们学校主要做四大管理，就是热管理、均衡管理、安全管理和寿命管理。

下面汇报一下我们的研究成果。我们主要针对燃料电池、动力电池在轨道交通方面的工作。我们的项目，从国家到部级到省级，都是燃料电池和轨道交通方面相关的。这是2013年我们团队研制的国内首辆燃料电池电动调车机车，采用的是地铁实际在用的调车。这个就是2016年4月份做的一个燃料电池混合动力的有轨电车。上面这是样车研制时候的样子。现在这个车放在唐山，就是下面这个图，刷成红色了，想作为唐山的工业旅游线路的交通工具。现在这个车准备再开展为期两年的运行。一直在做这种试验测试工作。这是当时我们这个车储能还有燃料电池系统的布局。这是当时这个车出来的时候的视频。