铝空燃料电池在高速磁浮列车中的应用

2020-10-26马齐林

工程技术研究 2020年17期

陈星，马齐林

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000；2.北京北交思远科技发展有限公司，北京 100000）

目前，我国高速磁浮列车最高试验运行速度达到503km/h，最高实际营运时速可达430km/h。随着时间的推移和技术的创新研发，将会出现营运时速达到600km/h以上的高速磁浮列车，其也必然会成为主要的长距离交通运输工具之一。

不过，高速磁悬浮列车的长距离运行会带来新的技术问题。在长距离运行线路中，保证列车在任一地点因故障停车时，乘客的乘车环境都能够保持舒适，就是其中的一个技术问题。高速磁浮列车在等待救援时，需要由地面电源或车载电源为车载空调、照明等系统供电。如果采用地面电源方式为列车供电，需要在全线路磁浮轨道铺设接触式供电轨或非接触器供电线圈。这样极大地增加了高速磁浮轨道的投资成本，也增加了维护成本和供电成本。此外，高速磁浮列车具有高可靠冗余性设计，使得列车故障停车的概率较小，从而使得全线路铺设供电轨或供电线圈的经济效益极低。因此，高速磁浮列车故障停车等待救援时，选择长期存放不失电的车载电源为车载空调、照明及动力电池等设备供电比较合理。

1 现状分析

目前可以作为高速磁浮列车车载储能系统的电源，主要有二次电池（如碱性电池、锂电池等）和燃料电池（如氢燃料电池、铝空燃料电池等）两种类型电源装置。

二次电池可以充放电，具有可以重复多次使用的优点，不过二次电池长时间存放会导致电池放电量减少，同时存在重量较大且需要增加电池充电控制逻辑电路设计等技术问题。而燃料电池虽然具有长时间存放不失电的优点，却不能够二次充电。其中，氢燃料电池存在安全性隐患，并且重量较大，制造成本较高。相对其他类型燃料电池来说，铝空电池具有能量密度大、安全性高、资源丰富、制造成本低、重量轻、清洁易回收等优点，因此将铝空燃料电池作为高速磁浮列车备用储能系统是一种较为理想的选择。

不过，目前铝空电池尚未应用于轨道交通行业，还需要结合高速磁浮列车的接口关系进行技术研发。此外，铝空燃料电池作为车载备用电源系统有以下两个主要问题亟待解决：（1）放电时负载特性较软；（2）放电时会产生大量热能。

下面对铝空燃料电池系统如何与高速磁浮列车进行集成进行分析，然后简述以上两个制约问题的解决方向。

2 铝空燃料电池系统组成

铝空燃料电池系统主要由启动电源、电池管理系统、电池反应堆、液流泵、冷却风机、电解液箱及其加热装置等部件组成。其中，启动电源主要用来为电池管理系统和液流泵供电；液流泵主要是用于将电解液箱中的电解液抽入电池反应堆中，并维持电解液流动循环；电池反应堆主要是用来将化学能转化为电能和热能；散热片主要是用于降低电池电解液的温度；冷却风机主要是用于将散热片中的热能带走，并保证电池反应堆中有足够的氧气；电池管理系统主要用于铝空电池系统的启停、加热及通风等控制，也用于监控电池的工作状态并将故障信息及时反馈给列车诊断系统；电解液箱主要用于存放电解液；加热装置主要用于防止电解液箱在寒冷天气下冻结。

铝空燃料电池放电时，需要液流泵将电解液箱中的电解液抽入电池反应堆中，且持续时间很短，而高速磁浮列车的车载二次电池可以作为铝空电池的启动电源。当铝空电池反应堆发出电时，又可以为铝空电池管理系统、液流泵和列车负载等设备供电。这样便实现了铝空燃料电池的发电过程，铝空燃料电池系统示意图见图1。

3 铝空燃料电池供电策略

铝空电池放电时负载特性较软，意味着带载放电时负载越大电池输出电压就会越低，并且铝空电池发热就越多。这就需要在列车应急负载的功率及工作电压中取得一个平衡点，即在列车负载额定工作电压范围内，尽可能减少车载应急负载，同时尽可能增加铝空电池的放电功率。

高速磁浮车载动力电网电压是由升压斩波器将低压直流输入电源，并将其转化为合适的高电压直流电源。这样可以利用升压斩波器将相对宽范围低电压内的铝空电池电源电压转化为列车应急负载可用电压。

为满足高速磁浮列车等待救援的负载需求，应在满足列车救援负载能耗情况下尽可能多地布置铝空电池（或提高铝空电池功率）。确定布设车载铝空燃料电池的数量不仅与自身发电功率及容量相关，还与列车的用电功率、控制策略及冗余设计相关。高速磁浮列车等待救援时，主要为空调、照明和车载动力电池等负载供电，其他列车非必要负载不供电。这样在负载功率相对较小的情况下，利用升压斩波器限功率的方式，尽可能设置多台铝空电池进行并联，这样不仅可以减少单台铝空电池的放电功率，还能够减少铝空电池的发热量。同时，也可以为列车等待救援争取更多的时间。

图1 铝空燃料电池系统示意图

图2 高速磁浮列车备用储能系统示意图

为实现以上设计需求，需要在铝空燃料电池的输出端增设单向二极管和输出接触器，以便于实现多组铝空电池的并联和切除。铝空电池的故障切除和列车其他非必需负载的故障切除均可以通过列车诊断及控制系统进行控制。这样便实现了铝空燃料电池与列车供电网络的接口关系，高速磁浮列车备用储能系统示意图见图2。此外，在列车条件允许的情况下，也可以考虑利用空调系统排出的冷空气对铝空电池进行散热处理。