混合动力机车系列的研究分析

刘 振，邹思敏

(1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000；2.株洲瑞德尔冶金设备制造有限公司，湖南 株洲 412000；3.湖南工业大学，湖南 株洲 412000)

1 概述

机车的使用寿命通常不低于30年，根据现有的环保政策要求趋势，内燃机车在未来30年内必然要求能够做到绿色环保的零排放。现有的能够达到零排放的车载动力能源主要是氢燃料电池动力系统和化学电池动力系统，但是两者目前都不能在续航里程上与传统的内燃发电机组系统相比。机车在降低碳排放情况下根据续航里程长度划分，可以采用如下的动力源：氢燃料电池动力包和化学电池动力包构成的混合动力的短续航方案；正在研发的氢内燃机发电机组和化学电池动力包构成未来大功率的长续航方案。

目前世界范围内还没有氢内燃机面世，基于现有的技术，各个机车生产厂家可以采用的车载能源动力包仅有6种可能的技术路线，分别是：内燃发电机组+化学动力电池包；内燃机发电机组+氢燃料动力电池包；化学动力电池包+氢燃料动力电池包；内燃发电机组；氢燃料动力电池包；化学动力电池包。

2 车载动力能源技术路线分析

现有国内外的混合动力机车的6种动力组合技术路线中，“纯氢燃料动力电池包+内燃发电机组”在降低碳排放方面自相矛盾，不符合政策导向，因此本文将不对该技术路线进行分析。

2.1 内燃发电机组(含多机组合)

目前，传统的内燃机在欧洲市场上并没有完全退出历史舞台，2019年英国的GB公司仍在购买Class66的纯内燃机车，但在目前的环保政策趋势下，各车辆设计公司在新设计内燃机项目上，如果不改变原有的技术路线，在适用环保政策上，唯一能做的便是采用能够满足更高尾气排放标准的内燃机。目前最高的尾气排放标准是欧V的排放标准，新的标准可以通过尾气处理方式或者更优的燃烧技术减少其他有害气体的比例，但无法减少碳排放。新的标准只是降低尾气排放中有害气体的排放量，并没有要求降低碳排放量。基于新标准要求，各内燃机厂家如MTU或者MAN都在进行满足新标准排放要求的内燃机研究，同时也在开发“内燃机+动力轴输出端增加牵引或制动电机”的方式，提高内燃机输出功率的利用率，以此来增加燃油效率，间接地降低碳排放。

第二种技术路线就是通过多个小功率的内燃机来代替大功率的单个内燃机的技术路线。这种技术路线在庞巴迪的Traxx系列机车的MDE机车上已经实践。这种根据整车功率需求确定工作内燃机数量的技术路线，目的是让每个段内的柴油机都尽可能地工作在最佳工作点，提高燃油单位质量的输出功率，在达到节省燃油目的同时，降低总的碳排放量。

上述两种方式都是通过提高系统燃油效率的方式，降低CO2和其他有害气体的排放，但是均只能降低碳排放。这两种技术路线在降低碳排放方面的极限是消耗的功率等于柴油最佳燃烧的输出功率的碳排放值，受限于现有的柴油机的效率，在轨道交通大功率、长距离运行的情况下，大部分柴油机工作在高效率阶段，效率相差不是很大，因此二氧化碳的排放总量不会明显降低。

2.2 动力电池技术路线

株洲电力机车公司在20世纪已经在新加坡销售铅酸电池的调车机车，还有一些矿藏企业使用这种机车进行作业。这种方式的机车在历史上出现得较早，最早的是英国的工程师采用富液式铅酸电池进行过相关原型车的设计，但由于车载能源电量太低没能成功推向市场。随着电池技术的发展，市场上出现了以胶体铅酸电池为主的调车机车。在电池储能总能量方面，车载电池包虽然车载能量非常有限，但是车辆生产厂家设计的机车车辆已经可以满足一般的城轨线路在建设线路阶段时的运输需求，以及城轨车辆段内的调车作业需求。

株洲电力机车有限公司同时还研发出了“25 kV接触网+锂电池”版本的大功率干线调车机车以及“蓄电池调车机车+增程动力电池车”的高续航版本的零排放车辆。其中，“蓄电池调车机车+增程动力电池车”已经在深圳地铁投入使用。这两个版本是在蓄电池调车机车领域目前已知续航里程最大的机车，在一定程度上缓解了车载能源储能不足的问题。其中“锂电池+接触网调车机车”增加续航里程的技术原理是通过供电网来减少车载电池在“有电+无电”作业区间中有电区间动力电池的需求，同时通过使用能量密度更高的锂电池来提高车载能源的电量，间接地增加里程。增程蓄电池小车就更直接，可以根据需要来配置增程电池的电量[2]。

但是无论哪种延长续航里程的方式，目前已知的动力电池的续航里程均不超过200 km，导致了现有的蓄电池机车动力电池作业不能进行长距离作业，这也导致动力电池机车的动力电池使用范围限制在了有限距离间歇工作的调车，如作为地铁天窗期的作业、偶发的地铁正线救援或港口短距离作业。

2.3 氢燃料电池技术路线

氢燃料电池也是电池的一种，目前这种电池的技术优点非常明确，就是零排放温室气体。氢燃料电池动力包和内燃发电机组比，单位体积的比功率比内燃机差(包含氢气储能系统后)，导致单纯使用氢燃料电池的机车，在机车车辆上有限的空间和重量上用燃料电池峰值功率太低。

该技术路线现在的技术难题是：如何在保证安全的情况下提高燃料电池单位体积的功率，提高氢气综合能量利用率以及储存氢气的储存气量。这些技术难题都是短时间无法解决的。因此，目前还没有纯氢气燃料电池的机车车辆出现。

2.4 “内燃发电机组+动力电池包”技术路线

“内燃发电机组+动力电池包”技术路线是目前市场上比较多见的混合动力机车技术路线。该技术路线的好处是：从理论上通过提高系统能量的利用率来减少燃油消耗，提高燃油效率，降低碳排放。其中，动力电池包的用途是：电制动时能量的吸收；混合动力模式下增加系统的峰值功率；维持柴油机在高效率燃烧区域(该功能涉及各个公司的技术秘密，尚没有对外公开的资料)。

这种技术路线基本可以分为3种：①以动力电池为主，柴油机发电机组给蓄电池进行充电用。②以柴油发电机组为主，电池包为能量吸收单元和短时增加功率的单元(一是柴油机直接驱动，在动力输出轴增加电机用于吸收制动能量或短时增加整车功率，以及额外配置电机的相关动力电池包以及逆变器等电气设备；二是“柴油发电机组+动力电池包”，在中间供电环节进行混合动力)。③柴油机组功率和动力电池功率接近，动力电池包和柴油发电机组对整车功率贡献接近，通常附带自动启停功能。

这些技术路线是目前市场上典型的混合动力模式。同时，目前正在研究的氢气内燃机，在未来一旦可以实现，这种技术路线下的车辆最容易升级，只需要将现有的柴油内燃机换成氢气内燃机，将现有的柴油油箱换成储氢系统即可。

2.5 “氢燃料动力电池+化学动力电池包”技术路线

氢燃料动力电池由于其自身单位体积的峰值功率的限制，在电力机车上很难作为单一车载能源供机车使用(经过基本方案验证单独使用氢能源，4轴16 t轴重机车很难做到800 kW)。作为车载动力源中的一种，氢气燃料电池的零排放和无排放的高功率化学动力电池混合动力是一种较实际的技术路线。在这种技术路线中，氢能源动力电池包为车辆运行提供车辆平均能耗下的能量，化学动力蓄电池作为动力不平均输出的储能设备存在，化学储能的动力电池在需要电能时快速、动态、高功率地释放电能，化学动力电池包是提供机车运行中能量波动的缓冲部件。

从理论上说，目前的“氢燃料动力电池包+化学动力蓄电池包”混合动力机车对线路的针对性更强，在车辆设计阶段需要根据线路平均功率、极限功率以及线路的长坡道和负载情况模拟计算出车辆的平均功率、车载能源的能量需求、车辆的峰值功率，据此来最终确定相关混合动力氢气燃料电池和化学电池的配比。采用这种技术路线设计的车辆对用户的使用以及线路的条件都需要更加精准的掌握，才能设计出符合客户需求的车辆。

3 混合动力调车机车的市场需求

市场对混合动力机车的需求产生的动力是强制的环保政策，在没有政策强制情况下，经济实惠的内燃机车很难短时间内被取代。但是随着人类生活水平的提高，对环保的要求越来越高，尤其是在2050年实现“碳中和”，化石能源基本要退出历史舞台。轨道交通虽然没有明确的时间计划表，但是在整个社会“碳中和”政策下，轨道交通去化石能源也是一种大的趋势。基于此，需要换代内燃机车的企业或运营商，在可接受经济范围内一般均会选用混合动力机车。

基于现有的氢能源动力燃料电池的功率和续航能力的限制，现有市场购买的主力车型以“内燃发电机组动力包+化学动力电池包和内燃发电机组+接触网供电”为主。购买较多的客户是德国国家铁路局，其他的业主有小批量采购“动力电池包+接触网供电”的机车(动力电池包主要在港口无电区间运行和部分正线短距离无电区间运行)，并没有对“氢燃料动力电池包+化学动力电池包”机车进行大批量采购，但是采购了不少“氢燃料动力电池包+化学动力电池包”的轻轨车辆。目前只有德国国家铁路局正式开始大批量采购相应的调车机车，市场处在培育的初步阶段，还没有达到快速增加阶段。现在采购内燃机车最大的风险是在其全寿命周期30年后，已经超过全面“碳中和”政策最迟执行的时间(2050年)，这将导致车辆在寿命周期内可能因为政策原因提前退役。

4 混合动力机车系列技术路线和平台的搭建分析

现有的混合动力机车系统平台的搭建，需要目标客户群体，车辆使用范围、目标的客户容量都是平台规划的重要参数。在目前内燃机整体换代的情况下，混合动力机车市场的容量是不用质疑的[1]，但是市场最终会选择哪种技术路线成为主流还不确定。

现有6种可能技术路线中，能够达到零排放技术路线的有化学蓄电池动力包、氢燃料动力电池包以及“化学动力电池包+氢燃料动力电池包”；能够降低碳排放的有“内燃发电机组动力包+化学动力蓄电池包”或者“内燃发电机组动力包+接触网供电”。在这些模式中，“内燃发电机组+接触网供电”技术路线并不能减少原本无电区间内燃机的实际排放，只是解决了纯内燃机在有电区间使用时的排放。而在有电区间原本就可以使用电力机车，因此本质上没有减少内燃机车在无电区间运行的碳排放。

剩余的几种技术路线中，“氢燃料动力电池包”单位体积的峰值功率不高，在车辆短时爬坡过程中难以胜任，所以在实际使用中也只能是小功率运行。化学电池动力包受限于车辆空间和重量，导致车载总能量有限，因此这种技术路线不可能进行长距离持续运行，只能是有限距离(通常小于100 km)持续运行，较远的距离就需要中途充电。“氢气燃料动力包+化学电池动力包”和“内燃机发电机组+动力电池包”这两种技术路线理论上都可以长距离持续运行。从碳排放上看，“氢燃料电池包+化学电池动力包”是零排放，但是相同车型峰值功率比“内燃发电机组+化学动力电池包”的技术路线小。

通过上述分析，混合动力车辆技术路线需要根据运行线路的长短以及车辆功率大小需求进行选择。在小功率不持续运行的情况下，可以选择动力电池动力包或氢燃料动力电池包技术路线，或者两者组合的技术路线；长距离运行目前唯一的技术路线是“内燃发电机组+化学动力电池包”。其他的技术路线中，氢燃料动力电池包受限于比功率体积，替换现有的内燃机的氢燃气内燃机尚未研发成功，这两种技术尚不知何时能够突破，基于这两种技术路线的轨道交通车辆，短时间内不太可能做到零排放。

5 总结及展望

混合动力机车是“碳中和”外部政策驱动下的一个新的市场需求，目前还在市场培育期间。市场期望是明确的零碳排放，但是技术路线是不确定的。在世界范围内，各个车辆生产设计厂家和轨道交通运营客户以及政府的政策制定部门都在探索相关技术和市场的可能性。在此背景下，各个非传统内燃机车公司的机会较大。混合动力机车的核心难题在于混合动力的控制，即不同功率等级和电源特点下的协同控制。与传统内燃机车比较，电力机车在控制系统方面技术更有优势。在“碳中和”政策释放过程中，传统的内燃机车将逐步退出市场，因而会形成极大的市场需求，未来的发展值得持续关注。