中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心

 副总经理 蔡景荣

1 国际水平、现状及发展趋势

1.1 国外相关产品与技术发展的现状

目前，世界各国都在对混合动力列车进行大力开发。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、低噪音、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，并没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14 千瓦的功率下连续运行8 个小时，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列车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列车。这一混合动力列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。上山坡或电动机的电力不足时，启动柴油发动机；当车辆减速时，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。混合动力列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、电力马达和电池间组合切换使能量达到平衡。

目前国外采用供电电网和蓄电池混合动力列车的研究还没有广泛研究。

1.2 国际上技术发展的动态和趋势

    随着资源的日益枯竭，节能降耗要求越来越高，城轨的能量回馈技术将越来越被重视。目前轨道混合动力车主要采用两种技术进行能量回馈，一种是采用PWM变流器集中进行能量回馈，另一种是采用电容储能回馈。在地铁车辆中，采用PWM变流器集中进行能量回馈的方式将成为主流，在运行在地面的轻轨车辆中，由于车辆穿越闹市区频繁，采用储能装置回馈能量具有明显的优势，而运行在城市的轻轨车，采用电网和超级电容混合动力的方案将成为主要方式。

2 国内相关产品发展现状和技术水平

2.1 国内相关产品与技术现状

在无轨交通中，混合动力车已有很多研究人员进行研究，并有相关产品已经面世。如南车株洲所研制的电动大巴已经开始批量生产，比亚迪生产的电动轿车已经进入私家车市场，其它如一汽、二汽等也有相应产品问世，应该说，无轨交通的混合动力已经开始逐步受到重视并取得了可喜的成果。

由于轨道行业的特殊性，目前国内研究轨道混合动力的单位很少，西南交大已经开始了基础研究，但也仅进行内燃动力和电池的轨道车辆混合动力的研究，其它部分企业有纯电动轨道车辆出现，但局限于一些低速的工程车辆应用。

2.2 国内技术水平

    国内的无轨车辆混合动力技术已经开始实用化，但是由于电池的快速充电技术无法突破，无轨车辆的混合动力普及化将受到较大限制。

3 混合动力轨道车辆牵引系统发展

    城市轨道交通是解决城市交通最为有效的交通方式，其中地铁交通已经在国内外很多城市投入使用或在建，但地铁施工成本高，难度大，因此轻轨交通在很多城市也有应用，国内武汉、长春、大连、重庆应用情况良好，国外部分城市也比较青睐轻轨交通，如伊朗、沙特等城市。

作为城轨交通的重要组成部分，研究轻轨的低碳化应用非常有意义，尤其是带电网供电的轻轨列车的低碳化研究，在城市轨道交通可能更受欢迎。

目前研究的混合动力车主要是内燃+电池组合的混合动力车，已有无轨车辆开始实用化应用，但对轨道车辆的混合动力研究还较少。通过分析调研，进行轨道混合动力车辆的研究非常有必要性和重大意义。我们已立项研究的是电网、超级电容供电的混合动力轻轨变流器。与仅由电网供电的城轨变流器相比，该混合动力车具有以下优势：

( 1 ) 能回收大部分制动时的能量，基本杜绝能耗制动；

( 2 ) 该变流器能运用于不便建设牵引供变电系统和接触网系统的城郊及隧道等场所； 

( 3 ) 减少了牵引供电系统及弓网系统的投资，并可减小隧道截面，大大降低工程造价；

( 4 ) 避免了牵引供电系统和弓网故障引起的事故，提高了列车运行的可靠性。

4 混合动力轨道车辆牵引系统主要技术特点

目前混合动力牵引系统主要是根据轻轨车辆的实际运行工况，对轻轨车辆的能量使用进行分析和计算，使用超级电容为轻轨车辆提供运行所需的能量，通过DC/DC变流器为超级电容的充放电过程进行管理和控制，使用DC/AC变流器进行交直流间的变换，驱动牵引电机运动，并且对于制动时反馈的多余能量，通过斩波模块输出至制动电阻，进行能量消耗。

轻轨车辆的运行工作主要分解为起动部分、坡道运行部分、弯道运行部分、车辆加速运行部分、车辆动能变化部分、车辆制动工况能量回收部分，其中前面的所有部分均为超级电容通过DC/DC变流器释放能量的过程，最后一部分为系统通过DC/DC变流器进行能量回收为超级电容充电的部分。

在本方案中，选择Buck-Boost电路作为变流器的基础电路，可以实现超级电容充放电的双向控制功能。

由于DC/DC变流器按PWM方式控制，采用较高的工作频率（8kHz），一个PWM工作周期较短,超级电容器容量很大，而且直流环节支撑电容也具有很大的容量，在一个斩波周期内，电流的变化基本是线性性的，可见在一个斩波周期内超级电容器及直流环节支撑电容的电压的变化很小。本系统对超级电容器工作电流的平稳性无特殊要求，因此只要有效控制超级电容器放电电流的平均值即可保证供电时超级电容器放电功率与牵引逆变器功率的平衡。

在系统容量一定的前提下，超级电容器的容量主要取决于最高充电限制电压和最低放电电压。的取值只要低于超级电容的额定电压，留有安全裕量即可。在理想的情况下最低放电电压为0V，超级电容器存储能量的能力得到最大限度的发挥，但是在电压很低的时候要保证充放电的功率恒定，其电流就会很大，给主电路中开关元件和电抗器等元件参数的选取带来极大的困难，而目前超级电容的价格比较昂贵，希望超级电容器的储能能力得到最大限度的发挥，那么就必须权衡矛盾的两个方面，优化系统设计，选择好超级电容的电气参数和DC/DC变流器的电气参数，并且进行匹配两方面的能力。

4 结束语

目前，中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心的混合动力牵引系统已经完成了系统地面联调试验工作，超级电容+DC/DC变流器的试验效果良好，已经完成了模拟过无电区的相关试验，经过试验，验证了设计的可靠性，并且在保证安全性的前提下，提升了系统应用能力，对通过无电区的能量计算进行了验证，满足设计要求，并对混合动力牵引系统的实际应用打下了坚实可靠的基础。