中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4月24-26日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的第九屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月26日上午的“氫能與燃料電池“專場(chǎng)，西南交通大學(xué)/國(guó)家軌道交通電氣化與自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心副教授、博士生導(dǎo)師戴朝華在會(huì)上分享了主題報(bào)告《軌道交通燃料電池/鋰電池混合動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)》，以下為演講實(shí)錄：
戴朝華：大家好！我們實(shí)驗(yàn)室主要關(guān)注軌道交通新能源，主要是兩個(gè)方面：一個(gè)是我們把太陽(yáng)能、風(fēng)電等新能源，根據(jù)需要考慮儲(chǔ)能，接入電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)。另外一個(gè)方面是車載的，軌道交通車載新能源，主要關(guān)注燃料電池、光伏、鋰電池等在車上的應(yīng)用。燃料電池方面，主要考慮大功率的低溫質(zhì)子交換膜燃料電池。當(dāng)然也在關(guān)注高溫質(zhì)子交換膜和低溫的固體氧化物，主要是考慮余熱利用，提高整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率。今天向大家匯報(bào)的，主要是我們團(tuán)隊(duì)近年來在軌道交通車載低溫質(zhì)子交換膜燃料電池和鈦酸鋰電池構(gòu)成的混合動(dòng)力系統(tǒng)方面的應(yīng)用情況。
主要從三個(gè)方面做這個(gè)匯報(bào)。首先是研究背景，氫能首次寫入李克強(qiáng)總理的政府工作報(bào)告，說明從國(guó)家層面在推動(dòng)，氫能會(huì)有一個(gè)很好的發(fā)展。另外就是我們國(guó)家工業(yè)制氫的情況，每年2500萬噸的制氫量，還有風(fēng)、光、水方面的“三棄”，每年大概1000億kWh的棄電，如果用來電解制氫，大概可以制200萬噸，所以我們國(guó)家氫源是豐富的。另外，軌道交通方面，中國(guó)擁有世界上最復(fù)雜、最龐大的一個(gè)鐵路網(wǎng)，每年電氣化鐵路耗電量是600多億多度電。另外還有30%采用內(nèi)燃機(jī)車?？梢娷壍澜煌ǖ墓?jié)能減排壓力是非常大的。
燃料電池具有高效、環(huán)保的特點(diǎn)，在軌道交通方面，有一個(gè)非常好的應(yīng)用潛力。我們團(tuán)隊(duì)，尤其是我們團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳維榮教授，一直在推動(dòng)燃料電池在以下幾種場(chǎng)景的應(yīng)用。第一個(gè)就是城際動(dòng)車組，目前在做這方面的方案。另外一個(gè)就是城市動(dòng)車組，時(shí)速在120公里水平的車。然后就是有軌電車，這個(gè)燃料電池車我們已經(jīng)有了，除此之外，站場(chǎng)調(diào)車、工程作業(yè)車，采用燃料電池作為它的動(dòng)力，也是很好的選擇。所以說我們實(shí)驗(yàn)室主要關(guān)注大功率燃料電池在軌道交通中的應(yīng)用，我們團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳教授的有一個(gè)觀點(diǎn)，燃料電池更適合應(yīng)用于軌道交通，所以我們一直非常有信心，燃料電池軌道交通會(huì)有一個(gè)美好的明天。當(dāng)然我們也兼顧了其他的公共交通、特種應(yīng)用等等。
第二，關(guān)鍵技術(shù)。第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是軌道交通燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配與模擬仿真，系統(tǒng)匹配就是基于線路、車輛和運(yùn)行指標(biāo)設(shè)計(jì)燃料電池、儲(chǔ)能的拓?fù)渑c參數(shù)，在滿足電力電量實(shí)時(shí)平衡、體積重量、動(dòng)力性能等約束條件下，使得全生命周期成本最低、系統(tǒng)效率最高等。匹配完成后，通過模擬仿真驗(yàn)證可行性，涉及牽引計(jì)算、能量管理、故障處理等。
第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是燃料電池系統(tǒng)控制。大家知道，豐田的大巴和乘用車，混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浜涂刂贫际遣灰粯拥模褪且驗(yàn)閮烧吖r不一樣。軌道交通的工況，完全不同于汽車，在數(shù)秒內(nèi)會(huì)出現(xiàn)上千安的電流波動(dòng)，即使有儲(chǔ)能來跟蹤負(fù)荷變化，但母線電壓仍然會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，對(duì)燃料電池的影響是非常大的。因此，軌道交通燃料電池系統(tǒng)控制，非常重要。對(duì)此，我們有十年左右的研究。燃料電池系統(tǒng)控制，主要關(guān)注四個(gè)控制目標(biāo)，那就是滿足負(fù)載功率的需求、提高效率、延長(zhǎng)壽命，在許可的情況下盡量提高它的響應(yīng)速度。影響這四大目標(biāo)的影響因素，包括溫度、壓力、濕度、還有氣體和汽液的動(dòng)態(tài)時(shí)空分布。結(jié)合軌道交通工況，怎么樣開展燃料系統(tǒng)的控制，使得上面的多物理場(chǎng)多時(shí)空尺度的均衡分布，滿足四大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這是我們關(guān)心的問題。
為研究控制問題，需要系統(tǒng)建模。針對(duì)陰極側(cè)的控制，我們關(guān)注最佳過氧比，就是OER，由常值最優(yōu)OER控制，到曲線最優(yōu)OER，再到區(qū)域最優(yōu)OER，主要是降低空壓機(jī)的自身功耗，提高系統(tǒng)的效率，避免“氧饑餓”或“氧飽和”現(xiàn)象。另外，氫氣供應(yīng)側(cè)的一些控制，也是跟隨負(fù)載的變化，跟陰極的壓力耦合，提出一些相應(yīng)的控制方法。另外，就是熱管理方面，我們也是多個(gè)方面的控制，主要針對(duì)循環(huán)泵和散熱風(fēng)機(jī)之間的耦合控制，結(jié)合到負(fù)載的變化還有跟陰陽(yáng)兩極的壓力變化來進(jìn)行一個(gè)綜合控制，滿足溫度值和溫度均衡性，并力求以最小的代價(jià)達(dá)到目的。
在軌道交通方面，整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)涫巧晕⒈容^復(fù)雜一些，為此我們開展了各種能量管理的策略研究，結(jié)合軌道交通車輛的工況，做了一些能量管理方面的工作，具體策略就不說了。另外就是故障診斷、健康管理這個(gè)方面?，F(xiàn)在軌道交通也有所謂的智慧甚至自主的控制，對(duì)軌道交通車輛在快速運(yùn)行的情況下，怎么樣進(jìn)行在線的故障診斷、壽命預(yù)測(cè)等等方面的工作。在這方面也是我們的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。
對(duì)此，我們針對(duì)軌道交通，開展燃料電池系統(tǒng)，還有能量管理控制器的研制。不同于汽車，為降低成本，控制器都是基于單片機(jī)，而軌道交通，更關(guān)注可靠性，因此我們基于PLC進(jìn)行開發(fā)。另外就是動(dòng)力電池方面，儲(chǔ)能方面，因?yàn)檐壍澜煌▽?duì)于安全的要求是非常高的。大家也知道，7.23事故，影響非常大。安全對(duì)軌道交通來說是壓倒一切，所以我們不會(huì)考慮在軌道交通上面使用三元甚至磷酸鐵鋰。目前我們只選擇鈦酸鋰電池，主要是基于它的安全性。聯(lián)合一些電池的生產(chǎn)廠家，做一些專門針對(duì)軌道交通的儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)。我們主要關(guān)注大倍率，因?yàn)檐壍澜煌〝?shù)秒有上千安的電流變化，所以必須大倍率。這個(gè)火車，可能從南開到北，一年四季，氣候變化非常大，也要求具有很好的溫度適用性。電芯是跟四川國(guó)創(chuàng)成來合作，我們學(xué)校主要做四大管理，就是熱管理、均衡管理、安全管理和壽命管理。
下面匯報(bào)一下我們的研究成果。我們主要針對(duì)燃料電池、動(dòng)力電池在軌道交通方面的工作。我們的項(xiàng)目，從國(guó)家到部級(jí)到省級(jí)，都是燃料電池和軌道交通方面相關(guān)的。這是2013年我們團(tuán)隊(duì)研制的國(guó)內(nèi)首輛燃料電池電動(dòng)調(diào)車機(jī)車，采用的是地鐵實(shí)際在用的調(diào)車。這個(gè)就是2016年4月份做的一個(gè)燃料電池混合動(dòng)力的有軌電車。上面這是樣車研制時(shí)候的樣子。現(xiàn)在這個(gè)車放在唐山，就是下面這個(gè)圖，刷成紅色了，想作為唐山的工業(yè)旅游線路的交通工具?，F(xiàn)在這個(gè)車準(zhǔn)備再開展為期兩年的運(yùn)行。一直在做這種試驗(yàn)測(cè)試工作。這是當(dāng)時(shí)我們這個(gè)車儲(chǔ)能還有燃料電池系統(tǒng)的布局。這是當(dāng)時(shí)這個(gè)車出來的時(shí)候的視頻。
總之，我們就是關(guān)注燃料電池在軌道交通方面的應(yīng)用，我們主要關(guān)注大功率的燃料電池，當(dāng)然為了培養(yǎng)學(xué)生也在叉車、觀光車等等方面做一些相應(yīng)的研究。這是我們的論文、專利情況。謝謝大家！
