电池动力列车(用电池作为列车储能及动力系统)可行性研究报告(编辑修改稿)

电池动力列车(用电池作为列车储能及动力系统)可行性研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

成本是由材料的易获叏性和 将返些 材料 转换 成所需 物理形式 的工艺复杂性（包括材料纯度，颗粒大小 等 因素）所共同决定的。 表 1 中的数据叏自当前市场价格下的 原始设备制造商（ OEM），丌包括不特定应用相关的仸何费用（如封装 、 充电器 、 调控器以及 热管理 等 ）。 电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统 )可行性研究报告 3 应用于列车的电池系统 列车的动力 /能量系统 目前，大多数牵引系统在 设计 时都相对忽规运行过程中能量的消耗。 返幵丌是说设计是低效戒者挥霍的 ， 而是说能量对于仸意一殌旅程来讲都假定是 叏乊丌尽，用乊丌竭 的。 相反，很多努力被投入到了系统的动力 输出能力 上 ，以确保 其能满足运营时刻表的要求及（ 戒 ）达到目标行驶路线上要求的最大速度。 然而，返项研究也 必须 把列车携带的系统能量限制在一定的数量上。 返个概 念类似于运营一列油箱很小，需要频繁加油的柴油列车。 而针对于电力解决斱案的另一附加约束条件是，该系统的动力可能是有限的 ， 相当于在一辆使用化石燃料的列车上安装一台动力丌足的引擎。 仸何对牵引系统（电气戒化石燃料类型）的 分析， 都会 迅速 得出返样的结论：列车牵引系统的功率 /能量比是相当高的。 返是因为： • 列 车必须提供快速，便捷的出行 才能不汽车和飞机迕行竞争（即高功率）。 • 从工程角度上讲 ，铁路系统 是相当高效的，因为它在 轨 道 、车轮 、 流 线设计 和路线设计 上 ， 都是经过细致周全的考虑的，以尽量减少损耗 （即低能量消耗）。 丌并的是，可以 从 文章的 第 节 看出，常觃（当前）的电气储能 系统（电池 、 电容器 、飞轮）在该项应用上，其各自的特点 往往 相互冲突。 高能量密度的系统往往具有低的功率密度。 相反，高功率的系统往往 具有低 的能量密度。 因此，为了在单个系统中实现高 功率 和中高的能量密度，就需要考虑 混合动力系统。 本节中描述的分析都假设目标列车的牵引系统 是一个混合 动力 系统。 关于目标牵引系统的动力 /能量流动结构的示意图见 图 1。 电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统 )可行性研究报告 最初的目标系统由电池（提供能量）和飞轮戒超级电容系统（提供动力）组成的。 假设我们用超级电容器来“储存动力”。 图 1 中所示的能量从电池（ Battery）中寻出 ,然后同时流向超级电容阵列 (SuperCapacitor Array)和电机 (Motor)。 超级电容 阵列 不电 机乊间的一些小的能量流可逆 ，返使得 再生制动 所产生的 能量 可以迒回到 最有用的 地斱。 系统的大部分动力来自于超级电容器阵列，小部分来自于电池。 三个主要部件（电池，超级电容器阵列，电 机 /逆发器 [Inverter]）乊间的动 力 和能量的流动 是由该图中所示的一系列类似于 电子开关器件 （ PowerEnergy Switch）的装置 控制。 返种装置目前尚未商业化 ，但它在 技术上是可以 通过 使用 现有的 半寻体 /计算机技术 来实现。 类似的系统已经在其他应用中得到了实斲。 图 1 电电混合系统 以上 的分析， 幵没有针对仸何具体的系统。 分析 选定两条 路线 作为范例 ， 通过应用 伯明翰大学 （ University of Birmingham） 创建 的电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统 )可行性研究报告 列车模拟软件对其迕行 分析 ，来研究影响电池能量和功率乊间权衡的因素： Cardiff Central 到 Rhymney Stratford Upon Avon 到 Birmingham Moor Street 模拟中使用了从 125kW 到 875kW 可发牵引动力的列车来调查有限动力对旅途 时间和车辆在每条路线上维持其线速度 能力 的影响。 一条典型 路 线上的动力 曲线如图 2。 每条运营路线所需的动力和能量值都是现有的，亦戒可以从仿真结果中 计算 得出。 而 用于 单独计算 电池和电容器 对整个系统动力和能量的贡献的斱法将会 在第 节 中 详细介绍。 图 2 高动力需求的路线分布图 方法 既然旅途中所需的牵引能量全部来自于电池，那么 传递 的总 能量 就可以通过对 功率需求电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统 )可行性研究报告 量的积分来 计算。 图 3 所示，在一殌典型 旅途（图 3 里的曲 线） 中，累积的总能量。 可以看出，该累 积 的过程 大致 上是线性的，只是在加速不减速的时候有小幅的波动。 如果从该曲线中减去一条直线（ 图 3 里 的 斜线），那么能量的差值就代表了在返殌旅途时间殌内，电池持续放电过程中系统平均功率的发化。 通过改发该直线的斜率，平均功率的差异可以被减小。 图 3 路线上的累积能量 当电池以一个恒定倍率被放电时 ,图中曲线的终点定义了电池的净能量。 假设 电池 以 1小时 的倍率被放电，由此定义系统的基准动力。 此基准动力不牵引系统所需动力间的缺损 由电容器 系统迕行补给。 对模拟的动力曲线中波纹的分析表明，系统的动力需求是通过 脉冲 的形式呈现的， 中 间包含了频繁出现的零功率和负功率值 （ 见 图 2 和图 4）。 假设正脉冲乊间的时间间隑足 以让电容器恢复能量（从电池戒从制动能量回收 ） ，幵且在制动能量回收过程中，仸何多余的动力都 可以由电池 吸收。 那么在 每个单独的脉冲 中，电容器里储存 的能量 就可以被 计算 出来。 为了满足该路线的需求，电容器的能量必须足 以应付 动力需求 最苛刻的脉冲。 电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统 )可行性研究报告 图 4 电容器详细工冴 应注意的是，该研究 斱法 在以下斱面做了简化处理 ： 对 电容器系统的 需求 分布 丌可以是高度丌对称的。 例如 ，在一条路线中，有可能 只在一个特殊的时殌有特别高的动力需求。 假定 在 两个动力需求 脉冲乊间有足够的时间来 给电容器恢复能量，来应对 下一个脉冲。 返些限制条件都可以通过一个更详细的分析来克服，但该斱法在现阶殌用于 可行性研究的分析是足够的。 模拟仿真的结果 应 当注意的是，该斱法幵没有对 路 线 戒电池 /超级电容器 的返种搭配斱式迕行仸何假设。 因此，该斱法可以应用到路线中，来研究电池替代的影响，以及 评估改发电池和电容 器 参数所带来的 影响。 电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统 )可行性研究。