潘西湘，王月明，唐 阳

（西南交通大学 机械学院 机车车辆实验室，四川 成都 610031）

0 引言

目前，氢气作为燃料因能产生清洁高效的动力而备受关注。为替代传统车辆内燃机驱动以及今后替代电力驱动，铁路技术研究所研发了用燃料电池驱动的新型车辆，引入了足以驱动至少一辆车的100kW级燃料电池系统（简称FC系统），并将其安装在试验车辆上进行了运行测试。该车径实际运用还存在许多限制，如输出功率不能达到传统车辆的加速性能，而且不能利用再生能量［1］。本研究中，开发了锂离子电池系统（简称Li－batt）、电池DC／DC变流器（Batt变流器）以及FC／Batt混合动力系统监控器，并将它们与FC系统一起安装在R291试验车辆上，利用再生能量以及辅助电源，建立了一套混合动力系统。本文将阐述上述研发过程及不同运行条件下能源效率及燃料消耗率的评估结果。

1 FC／Batt混合动力系统的研发

1．1 系统试验车的技术参数

本研究中，构建了FC／Batt混合动力系统，并在列车上进行了运行试验。图1为FC／Batt混合动力试验车辆。混合动力系统包括：由输出直流电压800V～1 500V、输出功率700kW的单向DC／DC升压变流器构成的FC变流器；容量为360kW、能量为36kWh的锂离子电池；输出直流电压为600V～1 500V、输出功率360kW的双向DC／DC变流器构成的Batt变流器；两个输出功率为95kW的三相感应电动机组成的主牵引电机；容积为720L、能承受35MPa压强的氢气缸。

在运用FC／Batt混合动力系统后列车输出的数据较传统车辆得到了改善［2］，由原来一辆编组变成了两辆，牵引功率由120kW提高到360kW，燃料（氢气）利用率由5km／kg提高到7km／kg，能源利用率提高了15%，且实现了再生制动。

图1 FC／Batt混合动力试验车辆

1．2 系统结构

FC／Batt混合动力系统很好地结合了燃料电池和蓄电池的输出功率，避免因牵引逆变器输入电压波动影响其加速性能。为充分利用感应电机产生的再生能量，FC／Batt混合动力系统采用了如图2所示的结构。该结构具有传统牵引系统的特点，如工作条件要求低、可简化主电路等，最合适安装于传统车辆上。

图2 FC／Batt混合动力系统的结构框图

1．3 锂电池的研发

锂离子电池因具有性能好、可靠性高、价格便宜等优点而被选作为混合动力系统的蓄电池。在传统锂离子电池的基础上，对本系统所用锂电池的充电和放电电流密度进行了新的设计，使其是传统锂离子电池容量的10倍。本系统采用的电池技术参数为：额定电压604．8V，容量60Ah，功率360kW。电池采用了168块串联、2组并联的结构。

1．4 Batt变流器的研发

为将锂离子电池应用于混合动力系统，研发了Batt变流器，其用于将锂离子电池电压在600V和1 500V之间进行双向转换。变流器主电路类型为双向DC／DC，最大功率360kW，低位电压500V～720 V，高位电压1 500V，质量为2 400kg，外形尺寸（长×宽×高）为4．5m×1．0m×1．65m。

2 FC／Batt混合动力系统的控制

通过从牵引逆变器（INV）、锂离子电池、FC系统及FC变流器接受信号的方式，Batt变流器控制FC变流器的输出功率和锂离子电池充放电功率，以维持总线电压恒定。当总线电压超过1 500V，Batt变流器向锂离子电池充电；反之，让电池放电。提前设置了充电SOC目标值（CEO）和放电SOC目标值（CSO），Batt变流器对FC变流器的输出进行控制，保持来自SOC信号位于CEO和CSO之间。当车辆速度大于5 km／h时，认为车辆处于运行中，为获得基于速度的再生能量，Batt变流器就会减小CEO和CSO值，故运行过程中的SOC会比静止状态（或车辆速度低于5km／h）的低。当车辆需要在较高SOC条件下进行测试时，则需要锂离子电池提供加速能量。

为获取再生制动产生的最大功率，将CEO值设为70%；为避免由于SOC信号的振荡而发生共振，将CSO值设为60%（即比CEO值低10%）。这些Batt变流器参数可根据需要进行更改。

3 FC／Batt混合动力系统燃料消耗率及效率评估

我们在试验轨道上对FC／Batt混合动力试验车辆进行了运行试验，并基于试验结果对混合动力系统的燃料消耗率及能源效率进行了评估。本文对有无等待SOC恢复及是否开启空调等三种工况下的输出进行了比较［3］。

3．1 空调关闭时燃料消耗率和效率的评估

图3为带有SOC恢复及空调关闭情况下（工况1）的连续运行试验结果。在有SOC恢复情况下，只要有燃料就可一直进行运行试验。基于SOC维持在60%情况下（除了第一次以外）连续进行了30次试验。

图4为没有SOC恢复及空调关闭情况下（工况2）的试验结果。在没有SOC恢复的情况下，随着运行试验的进行SOC值渐渐降低，当SOC值低于30%时试验结束。本工况下，当SOC值从60%降到30%，可进行22次运行试验。

在这些评估中，使用下述公式对燃料消耗率和效率各方面进行定义［4］：

其中：A为加速能量；B为辅助能量；C为电池放电能量。氢气消耗能量通过低热值进行换算。

图3 工况1下连续运行试验结果

图4 工况2下连续运行试验结果

对于工况1、2，表1列出了燃料消耗率的评估，表2列出了效率各方面的评估。由表1和表2可知：当空调关闭，无SOC恢复下，氢气耗量、燃料利用率、燃料电池效率、再生效率及车辆能源效率都优于有SOC恢复情况。

表1 工况1、2下燃料消耗率评估

表2 工况1、2下效率评估

3．2 空调开启时燃料消耗率和效率的评估

图5为没有SOC恢复及空调开启情况下（工况3）连续运行试验的结果。本工况下，当SOC值从60%降到30%，可进行16次运行试验。对于工况3，表3列出了燃料消耗率的评估，而表4列出了效率各方面的评估。工况2和工况3的差别仅仅是空调的开关与否，但在燃料利用率和车辆能效方面却分别有1．07km／kg－H2和7．4%的差别。工况2下，要将SOC从30%恢复到60%，需要花约12min，而工况3则要花约15min。工况1中，每次运行试验要将SOC恢复到60%均需要花3min左右。

图5 工况3下连续运行试验结果

4 结论

在装有FC／Batt混合动力系统的两辆车上进行了运行试验，并对具有60%SOC恢复运行工况和没有SOC恢复工况进行了燃料消耗率和效率方面的评估。结果表明：没有SOC恢复工况的燃料利用率和车辆能源效率分别比有SOC恢复工况好，约为0．8km／kg－H2和10%。另外，分析了空调开关之间的区别，结果表明空调关闭时大约有1km／kg－H2的燃料利用量和7%的车辆能源效率的优势。此处，只能简单地确定车辆能效约65%的车辆如预期一样具有较高的性能。研发尺寸更小的FC／Batt混合动力系统，并针对实际运用确定燃料电池寿命是今后的研发方向。

表3 工况3下燃料消耗率评估

表4 工况3下效率评估

［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．