现代有轨电车混合动力技术应用

在新能源技术应用方面，目前国外轨道交通车辆采用的地面供电技术有APS（地面受流，Alstom公司）、TRAMWAVE（地面受流，Ansaldo公司）、PRIMOVE（感应受电技术，Bombardier公司）等，这些技术受天气影响较大，且线路成本较高。而近年发展最快的是由供电电网和动力电池、超级电容联合供电的混合动力有轨电车，在技术研究和产品、市场开发方面，做得最好的是欧洲诸国和日本。其中，德国、法国、日本、西班牙等国已成熟掌握电网+超级电容（动力电池）、电网+动力电池+超级电容、内燃机+超级电容（动力电池）等多种混合动力技术及产品开发技术。

几种混合动力方案的对比如表5-1所示。受限于目前动力电池的技术水平，仅方案二、方案三具备可实施性。

表5-1 几种混合动力方案的对比

早在20世纪初，德国已经采用以动力电池为动力源的电力机车（电力火车）用于长途运输人员和货物。到1979年，大约20%的德国长途轨道车辆为电力机车拖动，这些车辆工作中由沿途的100个充电站提供能源。车上使用的是VARTA AG公司制造的铅酸动力电池。每列机车的电池系统由220块电池单体组成，重21t，存储能量650kW·h，单日运行250～400km。动力电池的平均寿命为4年。根据德国的实践经验，电力机车的优点包括可靠性高、噪声低、无污染、使用成本低、便于操作和维修等。

以动力电池为动力源的电力机车多年来也广泛应用于采矿业中的矿石运输。由于采矿环境的潜在危险比较大，可能存在各种易燃、易爆的气体，同时在封闭矿井或作业空间内应用，内燃机机车容易造成严重的空气污染，不利于作业。为了保证矿用机车的安全，各国都制定了严格的法规甚至法律，以保证电力机车动力电池以及电气辅助设备（如充电器）能够达到防爆、防火要求。

近年来，随着超级电容和动力电池技术的飞速发展，世界各国都加紧对混合动力有轨电车的开发工作。2002年，美国Vehicle Projects LLC公司和Fuel cell Propulsion协会联合开发了世界第一辆燃料电池动力拖运机车，清洁、节能、低噪声、高安全性是这辆燃料电池动力拖运机车的最大特点。该车是在原型机（铅酸电池作为动力源）的基础上改造完成，采用两个质子交换膜燃料电池堆串联组成动力源，并设有附加其他电能存储设备作为牵引电源。储氢系统的容量可以维持该车在14kW的功率下连续运行8h，同时装备有增湿器和热交换器等设备。

为降低环境负担及提高列车性能，从2000年起东日本铁路公司的研发中心一直致力于进行新能源（New Energy，NE）列车的开发，以减少铁路动车对环境的负面影响。自2003年起进行柴油机混合式列车的开发，确立了实用化目标；2006年开始实施NE列车的第2步计划，即世界首创的燃料电池混合式铁道列车的开发。

2007年7月31日，东日本铁路公司正式将混合动力有轨电车Kiha E200投入运营，运行路线为日本本州中部长野县山地度假区的一条山地短途路线。这也是世界上首列用于商业运营的混合动力火车。这一混合动力火车能把能源效率提高20%，同时将二氧化碳排放率降低近60%。列车配有一台柴油发动机，每节车厢下分别装置两台电动机，车厢顶层有多个锂离子电池。爬坡或电动机的电力不足时，起动柴油发动机；当火车减速时，柴油发动机会渐渐停止工作，其因惯性作用产生的动能正好可以用来为电池充电，从而达到降低能量无谓消耗的目的。混合动力有轨电车还为司机配备了触碰式控制面板。司机可以在驾驶过程中，通过面板上指针所显示的能量流动方向，及时在柴油发动机、发电机、起动机和电池间组合切换使能量达到平衡。

目前国外轨道交通车辆在采用供电电网和动力电池、超级电容联合供电的混合动力有轨电车技术研究和产品、市场开发方面，做得最好的是欧洲诸国。其中，德国、法国等已成熟掌握电网+动力电池、电网+超级电容、电网+动力电池+超级电容等多种混合动力技术及产品开发技术。他们在世界上已占据100%低地板车市场的大部分份额，其先进设计技术和市场营销理念均值得学习。目前国际各大公司都有相关的产品研发，如庞巴迪的MITRAC项目，为采用内燃机+超级电容的供电模式。西门子的Sitras-HES系统、CAF公司的ACR系统、Alstom公司的STEEM系统，为采用超级电容和的动力电池的供电模式。

（1）庞巴迪的MITRAC项目 庞巴迪的MITRAC车辆如图5-1所示。MITRAC每个单元的质量为450kg，1900mm长，950mm宽，455mm高。充足电时容量为300kW，可以利用的能量为60%，装置的总质量为477kg。该车能以26km/h的速度离开架空线行驶500m。40m长的有轨电车配备3套装置。此超级电容技术的车辆，在德国的曼海姆完成了试验。

图5-1 MITRAC车辆

（2）西门子Sitras-HES系统 Sitras-HES系统由两个储能装置组成，如图5-2所示。由一套750V DC/DC变流器充电的超级电容器箱，另外增加一套牵引动力电池箱，形成类似混合动力的方式。

西门子Sitras-HES参数如表5-2所示。西门子Sitras-HES采用空气冷却Maxwell0.85kW·h超级电容器，工作电压为190～480V DC，组成2套144kW的装置，总质量为820kg。动力电池为水冷SAFT NiMH，容量为18kW·h，功率为105kW，质量为826kg。所有设备质量约2.2t，且具备功能可扩展性。

试验结果表明，在正常制动的情况下，再生的电能有1/3反馈到架空线，1/3被超级电容器吸收，1/3用于车上的辅助设备或消耗在制动电阻器。如果将超级电容器的容量增加一倍，则可消除制动电阻器的损耗。储能装置充满电后，正常线路条件下车辆可独立行驶2.5km，正常充电时间仅需20s。该车辆已经在葡萄牙的Almada完成试验。

图5-2 西门子Sitras-HES电容箱、电池箱

表5-2 西门子Sitras-HES参数(https://www.xing528.com)

（3）CAF公司ACR有轨电车 CAF公司的ACR（Rapid Charge Accumulator）有轨电车配备了两个混合动力模块，可实现全程无接触网供电运行，如图5-3所示。该车型于2011年11月在zaragasa（萨拉戈萨）正式运营（整条线路设两段无网区），迄今为止运行良好。

ACR有轨电车混合动力系统的技术参数如表5-3所示。ACR系统能够实现1000m无供电区运行，商业运行在辅助用电系统工作的情况下可保证500m运行距离。

超级电容在只需车辆停靠站充电20s即可全部充满。超级电容失效时配备的镍氢动力电池可充当备用电源。系统可实现再生制动能量的回收。

图5-3 CAF公司的ACR车辆

表5-3 ACR有轨电车混合动力系统的技术参数

此外，CAF公司研制的超级电容车于2010年在西班牙的Vélez-Málaga进行了为期一年的测试，并于次年在西班牙的Seville投入了商业运营。

（4）Alstom公司的STEEM系统 Alstom公司开发的STEEM（Maximal Energy Efficiency Tramway System）应用在法国巴黎T3线上Citadis有轨电车上。车顶安装的1.4t超级电容由48个模块组成。通过接触网、地面充电站充电20s，在300个乘客的情况下可行驶300m，速度可达23km/h。该超级电容模块可实现再生制动能量的吸收，充电容量达到设计容量的30%，车辆就能行驶到下一站。

国外开展混合动力轨道车辆研究工作的这些公司的技术研究现状如表5-4所示。

表5-4 各大公司的技术研究现状

国内开展轨道交通行业混合动力技术研究工作的单位主要有浦镇（与庞巴迪合作）、株洲（与西门子合作）、大连（与安萨尔多合作）、长客、四方和唐山轨道客车有限责任公司，均完成了样车研制。

目前国内已成功研制超级电容供电的有轨电车。株洲于2012年推出超级电容车，已运用于广州市海珠线和江苏淮安。长客的超级电容车也在2013年沈阳浑南线投入使用。这种超级电容车站间距不能超过2km，需要停站时充满电方可继续运行。

唐车公司研制的动力电池+超级电容混合动力车在此基础上更进一步，引入能量更高的动力电池，这样车辆可以在长于5km的平直道上持续运行，无需在此线路上架设电网或设置充电站。

在混合动力机车方面，中国南车集团资阳机车有限公司于2008年研制成功CKD6E5000型混合动力交流传动内燃调车机车。该车由柴油机驱动主发电机发电，将产生的能量驱动牵引电机，同时给动力电池组充电。由动力电池组在发电机停止工作时提供能量。此外，株洲电力机车厂进行了地铁电动工程车的研究，第三轨有电时，由第三轨受流对工程车进行牵引，同时给车辆上的动力电池充电；当第三轨无电时，由动力电池驱动工程车辆。