北京交通大學(xué)吳健教授：新能源技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域發(fā)展可期

原創(chuàng)2021-04-23 06:58:00·電氣技術(shù)

吳健，EVS34“新能源軌道交通技術(shù)發(fā)展”論壇特邀嘉賓

由世界電動(dòng)車協(xié)會(huì)、亞太電動(dòng)車協(xié)會(huì)和中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)共同主辦的、以“奔向智慧電動(dòng)出行”為主題的“第三十四屆世界電動(dòng)車大會(huì)暨展覽會(huì)（EVS34）”將于2021年6月25—28日在南京舉行，屆時(shí)來自世界各地政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)和精英們都將齊聚一堂，共同探討純電動(dòng)、混合動(dòng)力車和燃料電池汽車及核心零部件領(lǐng)域的前瞻性政策、先進(jìn)技術(shù)、杰出市場(chǎng)成就及創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)等。

吳健

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院新能源研究所教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心副主任。1993-2010年，在中國(guó)北車集團(tuán)工作；2010年至今，在北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院新能源研究所工作。

 

長(zhǎng)期從事軌道交通車載儲(chǔ)能系統(tǒng)、多能源耦合車載能源配置及管理等相關(guān)技術(shù)的研究工作。牽頭完成完全自主研發(fā)的“北車心”大功率交流傳動(dòng)及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研發(fā)工作，填補(bǔ)了我國(guó)在大功率交流傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的空白。

 

近年來主持國(guó)家863計(jì)劃、科技部科技支撐計(jì)劃等重點(diǎn)項(xiàng)目多項(xiàng)。完成了鐵路總公司科技研發(fā)項(xiàng)目“鋰離子電池在機(jī)車車輛的應(yīng)用和測(cè)試規(guī)范研究”。公開發(fā)表論文10余篇，其中SCI/EI檢索論文5篇，獲發(fā)明專利9項(xiàng)。獲得中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，茅以升鐵道工程師獎(jiǎng)，中車集團(tuán)公司科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

 

在鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)方面，代表中國(guó)參與制定《IEC 62928鐵路用鋰離子電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，牽頭制訂中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)《機(jī)車、動(dòng)車組用鋰離子動(dòng)力電池測(cè)試及評(píng)估技術(shù)規(guī)范》，以及中車集團(tuán)等的行業(yè)及企業(yè)技術(shù)規(guī)范。

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展進(jìn)程中，軌道交通已成為新型城鎮(zhèn)化和城市化地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵?！笆濉逼陂g，我國(guó)城市軌道交通新增運(yùn)營(yíng)里程4000公里。上海、北京、廣州的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程已位居世界前三，形成了龐大的城市軌道交通路網(wǎng)。深圳、成都、南京等城市正在積極建設(shè)輕軌、地鐵、有軌電車以及磁懸浮列車等先進(jìn)的軌道交通運(yùn)輸網(wǎng)。

目前，我國(guó)在城市軌道交通發(fā)展方面，不僅要求軌道交通車輛具有載客量大、運(yùn)行安全、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，還強(qiáng)調(diào)在解決城市交通擁堵的同時(shí)兼顧環(huán)保問題，并且采用新技術(shù)、新能源，保證綠色出行和可持續(xù)發(fā)展。北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授、國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心副主任吳健認(rèn)為，在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下，新能源技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域有著非常好的發(fā)展前景。

EVS34工作組：近年來，新能源汽車得到了快速發(fā)展，且已經(jīng)逐漸進(jìn)入千家萬(wàn)戶。但大家還不太了解新能源技術(shù)在軌道交通機(jī)車車輛上的應(yīng)用，請(qǐng)問都有哪些應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)展前景如何？

吳健：傳統(tǒng)軌道交通機(jī)車車輛能源來自于電網(wǎng)（電力機(jī)車）或內(nèi)燃機(jī)（內(nèi)燃機(jī)車），隨著對(duì)運(yùn)營(yíng)可靠性和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，以及新能源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，截至2020年我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.14萬(wàn)公里，其電氣化率達(dá)到70%左右，而剩余幾萬(wàn)公里的非電氣化區(qū)段上，內(nèi)燃機(jī)車仍承擔(dān)著干線運(yùn)輸、調(diào)車作業(yè)、建設(shè)施工等任務(wù)。據(jù)國(guó)家鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)，目前國(guó)家鐵路機(jī)車擁有量為2.1萬(wàn)臺(tái)，其中內(nèi)燃機(jī)車0.77萬(wàn)臺(tái)（占36.5%），由此看來我國(guó)鐵路電氣化還有較大的提升空間。

以節(jié)能減排為目標(biāo)，當(dāng)前世界各國(guó)軌道交通領(lǐng)域都在研究如何用綠色能源替代柴油，油-電混合動(dòng)力、純電池動(dòng)力、燃料電池動(dòng)力等眾多新能源軌道交通機(jī)車車輛正在逐漸發(fā)展中。另外，在以電網(wǎng)供電為主動(dòng)力源的城市軌道交通領(lǐng)域，由車載電儲(chǔ)能系統(tǒng)為能源的有軌電車得到了越來越多的應(yīng)用，其不僅可以離網(wǎng)離線運(yùn)行，并且能在制動(dòng)時(shí)將能量最大化回收，可將能源效率提高30%，進(jìn)一步減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。

目前，國(guó)家鐵路集團(tuán)與中車集團(tuán)合作，正在研制3000馬力混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車，新開通的京張高鐵動(dòng)車組也應(yīng)用了由鋰離子電池作為動(dòng)力電源的應(yīng)急自牽引技術(shù)。在城市軌道交通領(lǐng)域，取消了影響城市景觀的供電接觸網(wǎng)的儲(chǔ)能式有軌電車已經(jīng)在多個(gè)城市建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，新能源技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域有著非常好的發(fā)展前景。

EVS34?工作組：同樣是鋰離子動(dòng)力電池，軌道交通機(jī)車車輛應(yīng)用領(lǐng)域與新能源汽車應(yīng)用領(lǐng)域有何不同？

吳健：從國(guó)內(nèi)外軌道交通車輛用電池來看，當(dāng)前蓄電池仍是主流，如鉛蓄電池和堿性Cd-Ni蓄電池，但這兩類電池存在很多問題，直接影響著軌道交通車輛技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。與新能源汽車相比，新能源技術(shù)在軌道交通機(jī)車車輛上的應(yīng)用發(fā)展相對(duì)較慢。主要源于軌道交通機(jī)車車輛在安全性、功率、能量、環(huán)境適應(yīng)性、壽命等方面，對(duì)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求都更為嚴(yán)格。

在安全性方面，由于軌道交通機(jī)車車輛載客或載貨量大，經(jīng)常在地下或高架上運(yùn)行，因此相較于新能源汽車，其對(duì)安全性要求更高。在功率及能量方面，軌道交通機(jī)車車輛的驅(qū)動(dòng)功率是兆瓦級(jí)的，裝機(jī)容量也遠(yuǎn)高于新能源汽車。由于驅(qū)動(dòng)功率大，動(dòng)力電池系統(tǒng)電壓也將達(dá)到1500V等級(jí)，這些參數(shù)要求都遠(yuǎn)高于新能源汽車。

在環(huán)境適應(yīng)性方面，按照軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，軌道交通車輛需要在-40℃~+40℃范圍內(nèi)運(yùn)行，這也對(duì)熱保障系統(tǒng)提出了更高要求；在壽命方面，軌道交通機(jī)車車輛是運(yùn)營(yíng)車輛，每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間在10h以上，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命直接影響到機(jī)車車輛的全壽命周期成本。

綜上所述，電動(dòng)汽車用鋰離子電池系統(tǒng)目前尚無法應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，軌道交通機(jī)車車輛需要根據(jù)需求選擇合適的電芯，并按軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組生產(chǎn)制造等。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前大容量鋰離子電池的材料、制造和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，相信在不久的將來，大功率鋰離子電池將會(huì)滿足更大的牽引電源需求，并被應(yīng)用于牽引電源系統(tǒng)中。

EVS34工作組：鋰離子動(dòng)力電池在軌道交通行業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與新能源汽車領(lǐng)域有何不同？

吳健：在軌道交通領(lǐng)域，IEC/TC9于2017年底發(fā)布了首個(gè)軌道交通車輛牽引用鋰離子電池的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62928:2017，規(guī)定了鐵路應(yīng)用車載鋰離子牽引電池的設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)、安全建議、數(shù)據(jù)交換、例行和型式試驗(yàn)以及標(biāo)記和標(biāo)志。在國(guó)內(nèi)，2019年中車集團(tuán)發(fā)布了關(guān)于鋰離子動(dòng)力電池的中車企標(biāo)；2020年國(guó)家鐵路集團(tuán)頒布并實(shí)施了《機(jī)車、動(dòng)車組用離子動(dòng)力電池試驗(yàn)暫行技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，目前正在制定城市軌道交通車輛用鋰離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與新能源汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不同之處，主要體現(xiàn)在對(duì)安全性的要求上。新能源汽車國(guó)標(biāo)中取消的針刺試驗(yàn)在軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中得以保留，并要求不能爆炸及起火。對(duì)于電池包和系統(tǒng)，在短路、熱失控及熱蔓延情況下，也不能出現(xiàn)爆炸及起火現(xiàn)象。另外，在電磁兼容、振動(dòng)沖擊、絕緣耐壓、環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試等方面，均采用了軌道交通行業(yè)的通用標(biāo)準(zhǔn)要求。

EVS34工作組：目前，國(guó)家在新能源軌道交通領(lǐng)域是否有政策方面的支持？

吳健：城市軌道交通是國(guó)家交通命脈所在，極大地影響著人們的生產(chǎn)和生活。例如，北京西客站目前還有許多內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車在運(yùn)營(yíng)中，其噪音及排放較大，影響了周邊居民的生活，采用新能源技術(shù)的軌道交通車輛研發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)迫在眉睫。

對(duì)于新能源軌道交通車輛技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，我國(guó)目前尚處于研發(fā)試用階段，如中車集團(tuán)研發(fā)的全球首列商用型燃料電池/超級(jí)電容/動(dòng)力電池100%低地板有軌電車，已在河北省唐山市工業(yè)旅游線投入商業(yè)化示范運(yùn)行。雖然有些技術(shù)問題仍需攻關(guān)完善，但是我們可以結(jié)合在新能源汽車領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，開展新能源軌道交通車輛技術(shù)的研究工作。

新能源軌道交通是一個(gè)細(xì)分的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，目前國(guó)家還沒有出臺(tái)相關(guān)政策方面的支持。因此，在這里呼吁相關(guān)國(guó)家部委關(guān)注新能源軌道交通行業(yè)的發(fā)展，盡快出臺(tái)扶持政策，促進(jìn)新能源技術(shù)在軌道交通行業(yè)的發(fā)展。