混合動(dòng)力機(jī)車系列的研究分析

劉 振，鄒思敏

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000；2.株洲瑞德爾冶金設(shè)備制造有限公司，湖南 株洲 412000；3.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412000)

1 概述

機(jī)車的使用壽命通常不低于30年，根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)保政策要求趨勢(shì)，內(nèi)燃機(jī)車在未來30年內(nèi)必然要求能夠做到綠色環(huán)保的零排放。現(xiàn)有的能夠達(dá)到零排放的車載動(dòng)力能源主要是氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和化學(xué)電池動(dòng)力系統(tǒng)，但是兩者目前都不能在續(xù)航里程上與傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)相比。機(jī)車在降低碳排放情況下根據(jù)續(xù)航里程長(zhǎng)度劃分，可以采用如下的動(dòng)力源：氫燃料電池動(dòng)力包和化學(xué)電池動(dòng)力包構(gòu)成的混合動(dòng)力的短續(xù)航方案；正在研發(fā)的氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和化學(xué)電池動(dòng)力包構(gòu)成未來大功率的長(zhǎng)續(xù)航方案。

目前世界范圍內(nèi)還沒有氫內(nèi)燃機(jī)面世，基于現(xiàn)有的技術(shù)，各個(gè)機(jī)車生產(chǎn)廠家可以采用的車載能源動(dòng)力包僅有6種可能的技術(shù)路線，分別是：內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+化學(xué)動(dòng)力電池包；內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組+氫燃料動(dòng)力電池包；化學(xué)動(dòng)力電池包+氫燃料動(dòng)力電池包；內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組；氫燃料動(dòng)力電池包；化學(xué)動(dòng)力電池包。

2 車載動(dòng)力能源技術(shù)路線分析

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的混合動(dòng)力機(jī)車的6種動(dòng)力組合技術(shù)路線中，“純氫燃料動(dòng)力電池包+內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組”在降低碳排放方面自相矛盾，不符合政策導(dǎo)向，因此本文將不對(duì)該技術(shù)路線進(jìn)行分析。

2.1 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組(含多機(jī)組合)

目前，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)在歐洲市場(chǎng)上并沒有完全退出歷史舞臺(tái)，2019年英國(guó)的GB公司仍在購(gòu)買Class66的純內(nèi)燃機(jī)車，但在目前的環(huán)保政策趨勢(shì)下，各車輛設(shè)計(jì)公司在新設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)項(xiàng)目上，如果不改變?cè)械募夹g(shù)路線，在適用環(huán)保政策上，唯一能做的便是采用能夠滿足更高尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)燃機(jī)。目前最高的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)是歐V的排放標(biāo)準(zhǔn)，新的標(biāo)準(zhǔn)可以通過尾氣處理方式或者更優(yōu)的燃燒技術(shù)減少其他有害氣體的比例，但無法減少碳排放。新的標(biāo)準(zhǔn)只是降低尾氣排放中有害氣體的排放量，并沒有要求降低碳排放量。基于新標(biāo)準(zhǔn)要求，各內(nèi)燃機(jī)廠家如MTU或者M(jìn)AN都在進(jìn)行滿足新標(biāo)準(zhǔn)排放要求的內(nèi)燃機(jī)研究，同時(shí)也在開發(fā)“內(nèi)燃機(jī)+動(dòng)力軸輸出端增加牽引或制動(dòng)電機(jī)”的方式，提高內(nèi)燃機(jī)輸出功率的利用率，以此來增加燃油效率，間接地降低碳排放。

第二種技術(shù)路線就是通過多個(gè)小功率的內(nèi)燃機(jī)來代替大功率的單個(gè)內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)路線。這種技術(shù)路線在龐巴迪的Traxx系列機(jī)車的MDE機(jī)車上已經(jīng)實(shí)踐。這種根據(jù)整車功率需求確定工作內(nèi)燃機(jī)數(shù)量的技術(shù)路線，目的是讓每個(gè)段內(nèi)的柴油機(jī)都盡可能地工作在最佳工作點(diǎn)，提高燃油單位質(zhì)量的輸出功率，在達(dá)到節(jié)省燃油目的同時(shí)，降低總的碳排放量。

上述兩種方式都是通過提高系統(tǒng)燃油效率的方式，降低CO2和其他有害氣體的排放，但是均只能降低碳排放。這兩種技術(shù)路線在降低碳排放方面的極限是消耗的功率等于柴油最佳燃燒的輸出功率的碳排放值，受限于現(xiàn)有的柴油機(jī)的效率，在軌道交通大功率、長(zhǎng)距離運(yùn)行的情況下，大部分柴油機(jī)工作在高效率階段，效率相差不是很大，因此二氧化碳的排放總量不會(huì)明顯降低。

2.2 動(dòng)力電池技術(shù)路線

株洲電力機(jī)車公司在20世紀(jì)已經(jīng)在新加坡銷售鉛酸電池的調(diào)車機(jī)車，還有一些礦藏企業(yè)使用這種機(jī)車進(jìn)行作業(yè)。這種方式的機(jī)車在歷史上出現(xiàn)得較早，最早的是英國(guó)的工程師采用富液式鉛酸電池進(jìn)行過相關(guān)原型車的設(shè)計(jì)，但由于車載能源電量太低沒能成功推向市場(chǎng)。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了以膠體鉛酸電池為主的調(diào)車機(jī)車。在電池儲(chǔ)能總能量方面，車載電池包雖然車載能量非常有限，但是車輛生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的機(jī)車車輛已經(jīng)可以滿足一般的城軌線路在建設(shè)線路階段時(shí)的運(yùn)輸需求，以及城軌車輛段內(nèi)的調(diào)車作業(yè)需求。

株洲電力機(jī)車有限公司同時(shí)還研發(fā)出了“25 kV接觸網(wǎng)+鋰電池”版本的大功率干線調(diào)車機(jī)車以及“蓄電池調(diào)車機(jī)車+增程動(dòng)力電池車”的高續(xù)航版本的零排放車輛。其中，“蓄電池調(diào)車機(jī)車+增程動(dòng)力電池車”已經(jīng)在深圳地鐵投入使用。這兩個(gè)版本是在蓄電池調(diào)車機(jī)車領(lǐng)域目前已知續(xù)航里程最大的機(jī)車，在一定程度上緩解了車載能源儲(chǔ)能不足的問題。其中“鋰電池+接觸網(wǎng)調(diào)車機(jī)車”增加續(xù)航里程的技術(shù)原理是通過供電網(wǎng)來減少車載電池在“有電+無電”作業(yè)區(qū)間中有電區(qū)間動(dòng)力電池的需求，同時(shí)通過使用能量密度更高的鋰電池來提高車載能源的電量，間接地增加里程。增程蓄電池小車就更直接，可以根據(jù)需要來配置增程電池的電量[2]。

但是無論哪種延長(zhǎng)續(xù)航里程的方式，目前已知的動(dòng)力電池的續(xù)航里程均不超過200 km，導(dǎo)致了現(xiàn)有的蓄電池機(jī)車動(dòng)力電池作業(yè)不能進(jìn)行長(zhǎng)距離作業(yè)，這也導(dǎo)致動(dòng)力電池機(jī)車的動(dòng)力電池使用范圍限制在了有限距離間歇工作的調(diào)車，如作為地鐵天窗期的作業(yè)、偶發(fā)的地鐵正線救援或港口短距離作業(yè)。

2.3 氫燃料電池技術(shù)路線

氫燃料電池也是電池的一種，目前這種電池的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)非常明確，就是零排放溫室氣體。氫燃料電池動(dòng)力包和內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組比，單位體積的比功率比內(nèi)燃機(jī)差(包含氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)后)，導(dǎo)致單純使用氫燃料電池的機(jī)車，在機(jī)車車輛上有限的空間和重量上用燃料電池峰值功率太低。

該技術(shù)路線現(xiàn)在的技術(shù)難題是：如何在保證安全的情況下提高燃料電池單位體積的功率，提高氫氣綜合能量利用率以及儲(chǔ)存氫氣的儲(chǔ)存氣量。這些技術(shù)難題都是短時(shí)間無法解決的。因此，目前還沒有純氫氣燃料電池的機(jī)車車輛出現(xiàn)。

2.4 “內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+動(dòng)力電池包”技術(shù)路線

“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+動(dòng)力電池包”技術(shù)路線是目前市場(chǎng)上比較多見的混合動(dòng)力機(jī)車技術(shù)路線。該技術(shù)路線的好處是：從理論上通過提高系統(tǒng)能量的利用率來減少燃油消耗，提高燃油效率，降低碳排放。其中，動(dòng)力電池包的用途是：電制動(dòng)時(shí)能量的吸收；混合動(dòng)力模式下增加系統(tǒng)的峰值功率；維持柴油機(jī)在高效率燃燒區(qū)域(該功能涉及各個(gè)公司的技術(shù)秘密，尚沒有對(duì)外公開的資料)。

這種技術(shù)路線基本可以分為3種：①以動(dòng)力電池為主，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組給蓄電池進(jìn)行充電用。②以柴油發(fā)電機(jī)組為主，電池包為能量吸收單元和短時(shí)增加功率的單元(一是柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在動(dòng)力輸出軸增加電機(jī)用于吸收制動(dòng)能量或短時(shí)增加整車功率，以及額外配置電機(jī)的相關(guān)動(dòng)力電池包以及逆變器等電氣設(shè)備；二是“柴油發(fā)電機(jī)組+動(dòng)力電池包”，在中間供電環(huán)節(jié)進(jìn)行混合動(dòng)力)。③柴油機(jī)組功率和動(dòng)力電池功率接近，動(dòng)力電池包和柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)整車功率貢獻(xiàn)接近，通常附帶自動(dòng)啟停功能。

這些技術(shù)路線是目前市場(chǎng)上典型的混合動(dòng)力模式。同時(shí)，目前正在研究的氫氣內(nèi)燃機(jī)，在未來一旦可以實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)路線下的車輛最容易升級(jí)，只需要將現(xiàn)有的柴油內(nèi)燃機(jī)換成氫氣內(nèi)燃機(jī)，將現(xiàn)有的柴油油箱換成儲(chǔ)氫系統(tǒng)即可。

2.5 “氫燃料動(dòng)力電池+化學(xué)動(dòng)力電池包”技術(shù)路線

氫燃料動(dòng)力電池由于其自身單位體積的峰值功率的限制，在電力機(jī)車上很難作為單一車載能源供機(jī)車使用(經(jīng)過基本方案驗(yàn)證單獨(dú)使用氫能源，4軸16 t軸重機(jī)車很難做到800 kW)。作為車載動(dòng)力源中的一種，氫氣燃料電池的零排放和無排放的高功率化學(xué)動(dòng)力電池混合動(dòng)力是一種較實(shí)際的技術(shù)路線。在這種技術(shù)路線中，氫能源動(dòng)力電池包為車輛運(yùn)行提供車輛平均能耗下的能量，化學(xué)動(dòng)力蓄電池作為動(dòng)力不平均輸出的儲(chǔ)能設(shè)備存在，化學(xué)儲(chǔ)能的動(dòng)力電池在需要電能時(shí)快速、動(dòng)態(tài)、高功率地釋放電能，化學(xué)動(dòng)力電池包是提供機(jī)車運(yùn)行中能量波動(dòng)的緩沖部件。

從理論上說，目前的“氫燃料動(dòng)力電池包+化學(xué)動(dòng)力蓄電池包”混合動(dòng)力機(jī)車對(duì)線路的針對(duì)性更強(qiáng)，在車輛設(shè)計(jì)階段需要根據(jù)線路平均功率、極限功率以及線路的長(zhǎng)坡道和負(fù)載情況模擬計(jì)算出車輛的平均功率、車載能源的能量需求、車輛的峰值功率，據(jù)此來最終確定相關(guān)混合動(dòng)力氫氣燃料電池和化學(xué)電池的配比。采用這種技術(shù)路線設(shè)計(jì)的車輛對(duì)用戶的使用以及線路的條件都需要更加精準(zhǔn)的掌握，才能設(shè)計(jì)出符合客戶需求的車輛。

3 混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車的市場(chǎng)需求

市場(chǎng)對(duì)混合動(dòng)力機(jī)車的需求產(chǎn)生的動(dòng)力是強(qiáng)制的環(huán)保政策，在沒有政策強(qiáng)制情況下，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的內(nèi)燃機(jī)車很難短時(shí)間內(nèi)被取代。但是隨著人類生活水平的提高，對(duì)環(huán)保的要求越來越高，尤其是在2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，化石能源基本要退出歷史舞臺(tái)。軌道交通雖然沒有明確的時(shí)間計(jì)劃表，但是在整個(gè)社會(huì)“碳中和”政策下，軌道交通去化石能源也是一種大的趨勢(shì)?；诖?，需要換代內(nèi)燃機(jī)車的企業(yè)或運(yùn)營(yíng)商，在可接受經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)一般均會(huì)選用混合動(dòng)力機(jī)車。

基于現(xiàn)有的氫能源動(dòng)力燃料電池的功率和續(xù)航能力的限制，現(xiàn)有市場(chǎng)購(gòu)買的主力車型以“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組動(dòng)力包+化學(xué)動(dòng)力電池包和內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+接觸網(wǎng)供電”為主。購(gòu)買較多的客戶是德國(guó)國(guó)家鐵路局，其他的業(yè)主有小批量采購(gòu)“動(dòng)力電池包+接觸網(wǎng)供電”的機(jī)車(動(dòng)力電池包主要在港口無電區(qū)間運(yùn)行和部分正線短距離無電區(qū)間運(yùn)行)，并沒有對(duì)“氫燃料動(dòng)力電池包+化學(xué)動(dòng)力電池包”機(jī)車進(jìn)行大批量采購(gòu)，但是采購(gòu)了不少“氫燃料動(dòng)力電池包+化學(xué)動(dòng)力電池包”的輕軌車輛。目前只有德國(guó)國(guó)家鐵路局正式開始大批量采購(gòu)相應(yīng)的調(diào)車機(jī)車，市場(chǎng)處在培育的初步階段，還沒有達(dá)到快速增加階段?，F(xiàn)在采購(gòu)內(nèi)燃機(jī)車最大的風(fēng)險(xiǎn)是在其全壽命周期30年后，已經(jīng)超過全面“碳中和”政策最遲執(zhí)行的時(shí)間(2050年)，這將導(dǎo)致車輛在壽命周期內(nèi)可能因?yàn)檎咴蛱崆巴艘邸?/p>

4 混合動(dòng)力機(jī)車系列技術(shù)路線和平臺(tái)的搭建分析

現(xiàn)有的混合動(dòng)力機(jī)車系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，需要目標(biāo)客戶群體，車輛使用范圍、目標(biāo)的客戶容量都是平臺(tái)規(guī)劃的重要參數(shù)。在目前內(nèi)燃機(jī)整體換代的情況下，混合動(dòng)力機(jī)車市場(chǎng)的容量是不用質(zhì)疑的[1]，但是市場(chǎng)最終會(huì)選擇哪種技術(shù)路線成為主流還不確定。

現(xiàn)有6種可能技術(shù)路線中，能夠達(dá)到零排放技術(shù)路線的有化學(xué)蓄電池動(dòng)力包、氫燃料動(dòng)力電池包以及“化學(xué)動(dòng)力電池包+氫燃料動(dòng)力電池包”；能夠降低碳排放的有“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組動(dòng)力包+化學(xué)動(dòng)力蓄電池包”或者“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組動(dòng)力包+接觸網(wǎng)供電”。在這些模式中，“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+接觸網(wǎng)供電”技術(shù)路線并不能減少原本無電區(qū)間內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際排放，只是解決了純內(nèi)燃機(jī)在有電區(qū)間使用時(shí)的排放。而在有電區(qū)間原本就可以使用電力機(jī)車，因此本質(zhì)上沒有減少內(nèi)燃機(jī)車在無電區(qū)間運(yùn)行的碳排放。

剩余的幾種技術(shù)路線中，“氫燃料動(dòng)力電池包”單位體積的峰值功率不高，在車輛短時(shí)爬坡過程中難以勝任，所以在實(shí)際使用中也只能是小功率運(yùn)行?；瘜W(xué)電池動(dòng)力包受限于車輛空間和重量，導(dǎo)致車載總能量有限，因此這種技術(shù)路線不可能進(jìn)行長(zhǎng)距離持續(xù)運(yùn)行，只能是有限距離(通常小于100 km)持續(xù)運(yùn)行，較遠(yuǎn)的距離就需要中途充電?！皻錃馊剂蟿?dòng)力包+化學(xué)電池動(dòng)力包”和“內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組+動(dòng)力電池包”這兩種技術(shù)路線理論上都可以長(zhǎng)距離持續(xù)運(yùn)行。從碳排放上看，“氫燃料電池包+化學(xué)電池動(dòng)力包”是零排放，但是相同車型峰值功率比“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+化學(xué)動(dòng)力電池包”的技術(shù)路線小。

通過上述分析，混合動(dòng)力車輛技術(shù)路線需要根據(jù)運(yùn)行線路的長(zhǎng)短以及車輛功率大小需求進(jìn)行選擇。在小功率不持續(xù)運(yùn)行的情況下，可以選擇動(dòng)力電池動(dòng)力包或氫燃料動(dòng)力電池包技術(shù)路線，或者兩者組合的技術(shù)路線；長(zhǎng)距離運(yùn)行目前唯一的技術(shù)路線是“內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+化學(xué)動(dòng)力電池包”。其他的技術(shù)路線中，氫燃料動(dòng)力電池包受限于比功率體積，替換現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)的氫燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)尚未研發(fā)成功，這兩種技術(shù)尚不知何時(shí)能夠突破，基于這兩種技術(shù)路線的軌道交通車輛，短時(shí)間內(nèi)不太可能做到零排放。

5 總結(jié)及展望

混合動(dòng)力機(jī)車是“碳中和”外部政策驅(qū)動(dòng)下的一個(gè)新的市場(chǎng)需求，目前還在市場(chǎng)培育期間。市場(chǎng)期望是明確的零碳排放，但是技術(shù)路線是不確定的。在世界范圍內(nèi)，各個(gè)車輛生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家和軌道交通運(yùn)營(yíng)客戶以及政府的政策制定部門都在探索相關(guān)技術(shù)和市場(chǎng)的可能性。在此背景下，各個(gè)非傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車公司的機(jī)會(huì)較大?；旌蟿?dòng)力機(jī)車的核心難題在于混合動(dòng)力的控制，即不同功率等級(jí)和電源特點(diǎn)下的協(xié)同控制。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車比較，電力機(jī)車在控制系統(tǒng)方面技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。在“碳中和”政策釋放過程中，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車將逐步退出市場(chǎng)，因而會(huì)形成極大的市場(chǎng)需求，未來的發(fā)展值得持續(xù)關(guān)注。