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北京交通大学吴健教授:新能源技术在轨道交通领域发展可期

2021-05-12

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由世界电动车协会、亚太电动车协会和中国电工技术学会共同主办的、以“奔向智慧电动出行”为主题的“第三十四届世界电动车大会暨展览会(EVS34)”将于2021年6月25—28日在南京举行,届时来自世界各地政府、企业和学术机构的领导和精英们都将齐聚一堂,共同探讨纯电动、混合动力车和燃料电池汽车及核心零部件领域的前瞻性政策、先进技术、杰出市场成就及创新发展趋势等。


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吴健,北京交通大学电气工程学院新能源研究所教授,博士生导师,国家能源主动配电网技术研发中心副主任。1993-2010年,在中国北车集团工作;2010年至今,在北京交通大学电气工程学院新能源研究所工作。


长期从事轨道交通车载储能系统、多能源耦合车载能源配置及管理等相关技术的研究工作。牵头完成完全自主研发的“北车心”大功率交流传动及网络控制系统的研发工作,填补了我国在大功率交流传动技术领域的空白。


近年来主持国家863计划、科技部科技支撑计划等重点项目多项。完成了铁路总公司科技研发项目“锂离子电池在机车车辆的应用和测试规范研究”。公开发表论文10余篇,其中SCI/EI检索论文5篇,获发明专利9项。获得中国铁道学会科学技术奖二等奖2项,三等奖1项,茅以升铁道工程师奖,中车集团公司科技进步特等奖1项,一等奖1项。


在锂离子电池应用技术方面,代表中国参与制定《IEC 62928铁路用锂离子电池测试标准》国际标准,牵头制订中国国家铁路集团《机车、动车组用锂离子动力电池测试及评估技术规范》,以及中车集团等的行业及企业技术规范。


在现代经济社会快速发展进程中,轨道交通已成为新型城镇化和城市化地区高质量发展的关键。“十三五”期间,我国城市轨道交通新增运营里程4000公里。上海、北京、广州的城市轨道交通运营里程已位居世界前三,形成了庞大的城市轨道交通路网。深圳、成都、南京等城市正在积极建设轻轨、地铁、有轨电车以及磁悬浮列车等先进的轨道交通运输网。


目前,我国在城市轨道交通发展方面,不仅要求轨道交通车辆具有载客量大、运行安全、准确性高等特点,还强调在解决城市交通拥堵的同时兼顾环保问题,并且采用新技术、新能源,保证绿色出行和可持续发展。北京交通大学电气工程学院教授、国家能源主动配电网技术研发中心副主任吴健认为,在碳达峰碳中和目标下,新能源技术在轨道交通领域有着非常好的发展前景。


EVS34工作组:近年来,新能源汽车得到了快速发展,且已经逐渐进入千家万户。但大家还不太了解新能源技术在轨道交通机车车辆上的应用,请问都有哪些应用场景,发展前景如何?


吴健:传统轨道交通机车车辆能源来自于电网(电力机车)或内燃机(内燃机车),随着对运营可靠性和节能环保要求的不断提高,以及新能源技术的发展与应用,截至2020年我国铁路营业里程达14.14万公里,其电气化率达到70%左右,而剩余几万公里的非电气化区段上,内燃机车仍承担着干线运输、调车作业、建设施工等任务。据国家铁路局数据,目前国家铁路机车拥有量为2.1万台,其中内燃机车0.77万台(占36.5%),由此看来我国铁路电气化还有较大的提升空间。


以节能减排为目标,当前世界各国轨道交通领域都在研究如何用绿色能源替代柴油,油-电混合动力、纯电池动力、燃料电池动力等众多新能源轨道交通机车车辆正在逐渐发展中。另外,在以电网供电为主动力源的城市轨道交通领域,由车载电储能系统为能源的有轨电车得到了越来越多的应用,其不仅可以离网离线运行,并且能在制动时将能量最大化回收,可将能源效率提高30%,进一步减轻电网负担。


目前,国家铁路集团与中车集团合作,正在研制3000马力混合动力调车机车,新开通的京张高铁动车组也应用了由锂离子电池作为动力电源的应急自牵引技术。在城市轨道交通领域,取消了影响城市景观的供电接触网的储能式有轨电车已经在多个城市建设及运营,新能源技术在轨道交通领域有着非常好的发展前景。


EVS34工作组:同样是锂离子动力电池,轨道交通机车车辆应用领域与新能源汽车应用领域有何不同?


吴健:从国内外轨道交通车辆用电池来看,当前蓄电池仍是主流,如铅蓄电池和碱性Cd-Ni蓄电池,但这两类电池存在很多问题,直接影响着轨道交通车辆技术的可持续发展。与新能源汽车相比,新能源技术在轨道交通机车车辆上的应用发展相对较慢。主要源于轨道交通机车车辆在安全性、功率、能量、环境适应性、寿命等方面,对车载储能系统的要求都更为严格。


在安全性方面,由于轨道交通机车车辆载客或载货量大,经常在地下或高架上运行,因此相较于新能源汽车,其对安全性要求更高。在功率及能量方面,轨道交通机车车辆的驱动功率是兆瓦级的,装机容量也远高于新能源汽车。由于驱动功率大,动力电池系统电压也将达到1500V等级,这些参数要求都远高于新能源汽车。


在环境适应性方面,按照轨道交通行业标准的要求,轨道交通车辆需要在-40℃~+40℃范围内运行,这也对热保障系统提出了更高要求;在寿命方面,轨道交通机车车辆是运营车辆,每天运营时间在10h以上,因此储能系统的循环寿命直接影响到机车车辆的全寿命周期成本。


综上所述,电动汽车用锂离子电池系统目前尚无法应用于轨道交通领域,轨道交通机车车辆需要根据需求选择合适的电芯,并按轨道交通行业标准进行系统设计及电池组生产制造等。经过多年的发展,目前大容量锂离子电池的材料、制造和应用技术已经相对成熟,相信在不久的将来,大功率锂离子电池将会满足更大的牵引电源需求,并被应用于牵引电源系统中。


EVS34工作组:锂离子动力电池在轨道交通行业执行标准与新能源汽车领域有何不同?


吴健:在轨道交通领域,IEC/TC9于2017年底发布了首个轨道交通车辆牵引用锂离子电池的国际标准IEC 62928:2017,规定了铁路应用车载锂离子牵引电池的设计、运行参数、安全建议、数据交换、例行和型式试验以及标记和标志。在国内,2019年中车集团发布了关于锂离子动力电池的中车企标;2020年国家铁路集团颁布并实施了《机车、动车组用离子动力电池试验暂行技术规范》等标准,目前正在制定城市轨道交通车辆用锂离子电池相关标准。


轨道交通行业标准与新能源汽车行业标准的不同之处,主要体现在对安全性的要求上。新能源汽车国标中取消的针刺试验在轨道交通行业标准中得以保留,并要求不能爆炸及起火。对于电池包和系统,在短路、热失控及热蔓延情况下,也不能出现爆炸及起火现象。另外,在电磁兼容、振动冲击、绝缘耐压、环境适应性测试等方面,均采用了轨道交通行业的通用标准要求。


EVS34工作组:目前,国家在新能源轨道交通领域是否有政策方面的支持?


吴健:城市轨道交通是国家交通命脉所在,极大地影响着人们的生产和生活。例如,北京西客站目前还有许多内燃调车机车在运营中,其噪音及排放较大,影响了周边居民的生活,采用新能源技术的轨道交通车辆研发与应用已经迫在眉睫。


对于新能源轨道交通车辆技术的开发与应用,我国目前尚处于研发试用阶段,如中车集团研发的全球首列商用型燃料电池/超级电容/动力电池100%低地板有轨电车,已在河北省唐山市工业旅游线投入商业化示范运行。虽然有些技术问题仍需攻关完善,但是我们可以结合在新能源汽车领域的成功经验,开展新能源轨道交通车辆技术的研究工作。


新能源轨道交通是一个细分的专业技术领域,目前国家还没有出台相关政策方面的支持。因此,在这里呼吁相关国家部委关注新能源轨道交通行业的发展,尽快出台扶持政策,促进新能源技术在轨道交通行业的发展。

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