国内外混合动力轨道车辆的新能源与节能减排技术

在新能源技术应用方面，目前国外轨道交通车辆采用的地面供电技术有APS（地面受流，Alstom公司）、TRAMWAVE（地面受流，Ansaldo公司）、PRIMOVE（感应受电技术，Bombardier公司）等，这些技术受天气影响较大，且线路成本较高。而近年发展最快的是由供电电网和动力电池、超级电容联合供电的混合动力有轨电车，在技术研究和产品、市场开发方面，做得最好的是欧洲诸国和日本。其中，德国、法国、日本、西班牙等国已完全掌握电网+超级电容（动力电池）、电网+动力电池+超级电容、内燃机+超级电容（动力电池）等多种混合动力技术及产品开发技术。目前，国际各大公司都有相关的产品研发项目，如庞巴迪的MITRAC项目（采用超级电容的节能装置）、西门子的Sitras-HES项目、CAF公司ACR项目等。

早在20世纪初，德国便已将以蓄电池为动力源的电力机车（电力火车）投入长途工作的人员和货物运输领域。到1979年，大约20%的德国长途轨道车辆为电力机车拖动，这些车辆由沿途的100个充电站提供能源。车上使用的是VARTA AG公司制造的铅酸蓄电池。每列机车的蓄电池系统由220块蓄电池单体组成，重21t，存储能量650kW·h，单日运行250～400km。蓄电池的平均寿命为4年。根据德国的实践经验，电力机车的优点包括可靠性高、噪声低、无污染、使用成本低、便于操作和维修等。

以蓄电池为动力源的电力机车多年来也广泛应用于采矿业中的矿石运输。由于采矿环境的潜在危险比较大，可能存在各种易燃、易爆的气体，同时在封闭矿井或作业空间内应用，内燃机机车容易造成严重的空气污染，不利于作业。为保证矿用机车的安全性，各国都制定了严格的法规甚至法律，以保证电力机车蓄电池及电气辅助设备（如充电器）达到防爆、防火要求。

近年来，随着超级电容和蓄电池技术的飞速发展，世界各国都加紧了对混合动力有轨电车的开发工作。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、低噪声、高安全性是这辆燃料电池动力拖运机车的最大特点。该车在原型机（铅酸电池作动力源）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，同时装备有增湿器和热交换器等设备，并附加其他电能存储设备作为驱动电源。储氢系统的容量可使该车在14kW的功率下连续运行8h。

为降低环境负担并提高列车性能，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，即开发世界首创的燃料电池混合式铁道列车。

2007年7月31日，东日本铁路公司正式将混合动力有轨电车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火车。这一混合动力火车能将能源效率提高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，每节车厢下分别装两台电动机，车厢顶层有多个锂电池。上山坡或电动机的电力不足时，起动柴油发动机。火车减速时，柴油发动机会渐渐停止工作，因惯性作用产生的动能正好可用来为蓄电池充电，从而达到降低能量消耗的目的。混合动力有轨电车还为司机配备了触碰式控制面板。司机可在驾驶过程中，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、电动机和蓄电池间组合切换，使能量达到平衡。

以下简要介绍欧洲诸国的典型混合动力有轨电车技术。

1）庞巴迪的MITRAC项目。庞巴迪的MITRAC车如图5-1-1所示。MITRAC每个单元重450kg，长1900mm、宽950mm、高455mm。充足电时容量为300kW·h，可利用的能量为60%，装置总重为477kg。该车能以26km/h的速度离开架空线行驶500m。40m长的有轨电车配备3套装置。

2）西门子Sitras-HES系统。Sitras-HES系统由2个储能装置组成，如图5-1-2所示。由DC 750V充电的超级电容另外增加一组驱动蓄电池，形成类似混合动力的方式。

图5-1-1 MITRAC车辆

图5-1-2 西门子Sitras-HES电容箱、蓄电池箱

西门子Sitras-HES参数见表5-1-1。西门子Sitras-HES采用空气冷却Maxwell 0.85kW·h超级电容，工作电压为DC 190～480V，组成2套144kW的装置，总重820kg。蓄电池为水冷式SAFT NiMH，容量为18kW·h，输出功率为105kW，重826kg。所有设备重约2.2t，且具备功能可扩展性。试验结果表明，在正常制动情况下，再生的电能有1/3反馈到架空线，1/3被超级电容吸收，1/3用于车上的辅助设备，或消耗在制动电阻器。如果将超级电容的容量增加1倍，则可消除制动电阻器的损耗。储能装置充满电后，正常线路条件下车辆可独立行驶2.5km，正常充电时间仅为20s。

表5-1-1 西门子Sitras-HES参数

3）CAF公司ACR有轨电车。CAF公司的ACR（Rapid Charge Accumulator）有轨电车配备了2个混合动力模块，可实现全程无接触网供电运行，如图5-1-3所示。该车于2011年11月在萨拉戈萨（zaragasa）正式运营（整条线路设两段无网区），至今运转良好。(www.xing528.com)

ACR有轨电车混合动力系统的技术参数见表5-1-2。ACR系统能实现1000m无供电区运行，在辅助用电系统工作的情况下可保证500m运行距离。

超级电容只需在车辆停靠站充电30s即可全部充满。超级电容失效时，配备的镍氢蓄电池可充当备用电源。系统可实现再生制动能量回收。

图5-1-3 CAF公司的ACR有轨电车

表5-1-2 ACR有轨电车混合动力系统的技术参数

（续）

4）Alstom公司的STEEM系统。Alstom公司开发的STEEM（Maximal Energy Efficiency Tramway System）应用在法国巴黎T3线Citadis有轨电车上。车顶安装的1.4t超级电容由48个模块组成。通过接触网、地面充电站充电20s，在载有300位乘客的情况下可行驶300m，速度可达23km/h。该超级电容模块可实现再生制动能量回收，充电容量达到设计容量的30%，车辆就能行驶到下一站。

国外开展混合动力轨道车辆研究工作的公司的技术研究现状见表5-1-3。

表5-1-3 各大公司的技术研究现状

国内开展轨道交通行业混合动力技术研究工作的单位主要有长客（与福伊特合作）、四方（与斯柯达合作）、浦镇（与庞巴迪合作）、株洲（与西门子合作）、大连（与安萨尔多合作）、中车唐山机车车辆有限公司等。

目前国内已成功研制出超级电容供电的有轨电车。株洲于2012年推出超级电容车，长客的超级电容车于2013年在沈阳浑南线投入使用。这种超级电容车站间距不能超过2km，需要停站时充满电方可继续运行。唐车公司研制的动力电池+超级电容混合动力车在此基础上更进一步，引入能量更高的动力电池，车辆可在长于5km的平直道上持续运行，仅需在站点处架设电网或设置充电站。国内市场方面，广州、沈阳、淮安、南京、深圳等多地分别采用了超级电容有轨电车和动力电池有轨电车。

在混合动力机车方面，中车资阳机车有限公司于2008年研制了CKD6E5000型混合动力交流传动内燃调车机车。该车由柴油机驱动主发电机发电，用产生的能量驱动电动机，同时给蓄电池组充电。由蓄电池组在发电机停止工作时提供能量。此外，株洲电力机车厂进行了地铁电动工程车的研究，第三轨有电时，由第三轨受流对工程车进行驱动，同时给车辆上的蓄电池充电，当第三轨无电时，由蓄电池驱动工程车辆。