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Battery-Powered TrainsFeasibility Study for Battery Energy Storage and Propulsion on Trains电池动力列车用电池作为列车储能及动力系统的可行性研究报告电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统)可行性研究报告目录1 介绍 .32 电化学储能系统 .32.1 电化学电池 .32.1.1 功率和能量密度 .32.1.2 安全性 .32.1.3 环境 .32.1.4 功率 -能量 -寿命的权衡 .32.1.5 成本 .33 应用于列车的电池系统 .33
2、.1 列车的动力/能量系统 .33.2 分析 .33.3 方法 .33.4 模拟仿真的结果 .33.4.1 较短路线/较频繁电池更换带来的影响 .33.5 电池热效应 .33.6 结论 .34 电池（能量储备）和超级电容器（动力储备）选择 .35 电气储能系统总结 .36 对该研究结果的引申 .3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1 介绍（无参考价值）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2 电化学储能系统在以下的讨论中，读者应该小心区分 单体：用来承载产生 14 伏低电压反应物的基础容器； 电池：一系列单体相互连接的集合，用来产生实际有用的电压
3、和能量。这是一个重要的区分，因为当前很多文献中交替性的使用这两个概念，进而导致一些困惑或误解。电化学电池2.1.1 功率和能量密度任何电化学储能系统的一个主要劣势是其已知的能量密度。化石燃料的平均能量密度大约是 12,000Wh/kg (10,000Wh/l)，并且特定的可利用功率也是同样的高。相比之下，一个能量密度为 200Wh/kg (150Wh/l)，功率密度为200400W/kg 的电化学系统，作为能量源来讲，与化石燃料的差距看起来是不可逾越的。但是这些数字并不能反映出构建该系统的实际后果。任何柴油系统都需要一个引擎来产生动力；这个引擎拥有其自身的质量。此外，在铁路应用中，柴油引擎经常
4、被用来产生电能，然后将电能供给到牵引马达。由于柴油引擎的质量将被车体永久的携带，因此任何分析都应考虑整个系统,包括引擎在内的实际能量密度和产生能量的功率密度。同样，对于在电化学系统中的任何功率转换器/逆变器或电池配套设施的质量都应被包括在评估范围内。把 Class 150 列车作为这项研究中的参照物： 牵引系统的功率 - 375KW; 柴油引擎的质量 - 2632 公斤（康明斯 NT855R5 柴油机 * 2）; 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 油箱满载质量（假设油箱大小为 2000 升）- 1600 千克; 行驶里程 -在平均 50 英里每小时的速度下，行驶 2
5、000 英哩; 加油间隔时间 - 40 小时 ; 能量传递=375KW*40=15MWh; 总质量=4200 公斤。柴油系统的能量密度大约是 3500Wh/kg。虽然这只是化石燃料理论能量密度的 30左右，然而，它仍然是一个正常电池系统的 10 倍量级以上。该系统估计的功率密度约为90W/kg，大致上近似于一个电池系统的功率密度值。因此，一个电池系统将能够满足一个列车系统中功率上的需求，但可能无法满足其能量上的需求。2.1.2 安全性任何有用的化学储能系统必须得紧凑。但任何能量如果被紧凑的储存起来之后，一旦被迅速的释放，就会存在安全隐患，这是一个老生常谈的问题。所有这些系统都有可能引起火灾，电
6、化学储能系统在这方面跟其他燃料系统没什么不同。在一般情况下，电化学系统通常不会因为与空气中的氧气激烈混合而产生火焰。然而，基于碱金属（锂，钠 钾 ）的固体/熔融状态的系统确是例外，这些物质都将在空气中燃烧。但是电化学系统几乎无一例外地含有腐蚀性物质（酸，碱） ，或在反应过程中以副产品的形式产生这些物质。因此，任何对系统密封的破坏都存在着腐蚀/灼伤的安全隐患。相比之下，就化石燃料系统而言，对系统密封的破坏而导致的安全隐患是相对良性的。电池上存在的电气安全隐患大致上和任何电动机车或动车组上存在的安全隐患一样，属于同一类别。电池系统的直流电压往往比用于电力牵引系统的电压要低。 （300600V对上
7、7501500V）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2.1.3 环境化石燃料和生物燃料会产生碳氧化物、氮、硫和显著颗粒（碳的无机氧化物和复杂的碳氢化合物） 。电化学系统通常在放电时不产生排放，但基于液态电解质的系统在充电时会有很少量的氢气放出。 某些电化学电池含有有毒物质，需要加以回收。然而，通常这些有毒物质具有很高的固有价值，因此用于材料回收的成本可以借此抵消。2.1.4 功率 -能量 -寿命的权衡一个电化学系统所产生的功率取决于系统的电压、单体的内阻以及连接单体之间元器件的电阻。而该系统所产生的能量则取决于电压和反应物的多少。 单体的电压仅依赖于活性电极材料，因而
8、和几何形状无关。一个单体的内阻取决于该单体的几何形状和结构。理想情况下，一个高功率单体具有大的反应物表面积和短的互连元器件。这些条件限制了单体的几何形状，因而限制了它的能量。电池的功率和能量密度在某种程度上是一种妥协。为了实现高功率和高能量密度，系统被构建的相当紧凑，这样既能保持单体间互连长度短，又能减少空间浪费。然而，一个高度紧凑系统的热管理具有很大的难度,而温度的变化在基于环境温度的系统中会产生巨大的负面影响。因此，实现一个系统的高功率和高能量往往需要在设计上寻求妥协。一个电化学储能系统的寿命与该系统能够提供其自身能量的能力大小有关。通常来讲，由系统容量下降至最初容量的 80%来定义其生命
9、周期的结束。容量损失通常是由以下因素导致的： 非正常反应产物的形成， “锁住”了系统中的活性物质;它表现在电极材料的损耗或对电解质的污染上。 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 系统封装被破坏，使得活性物质与大气（空气、水、污染物） ，或者彼此之间相互反应,导致这些物质无法进行正常的有效反应。系统寿命通常对“非正常使用”相当敏感，其中包括像过充、过放、放电率和极端工作温度等因素。它们影响系统寿命的原因是复杂的，依据系统的不同而不同。不幸的是，通常性能最好的电池对由于“非正常使用”而导致的寿命衰退最为敏感。此外，当单体被配置组合成系统后，流过系统的电流也不是完全一致的。
10、一些单体可能存在着内阻或容量上的差异，从而导致它们之间存在着不一样的荷电状态。在这种情况下，电池可能因此变得“不平衡”从而导致交付能量的损失。在某些情况下，系统容量的损失可以通过特殊的电气调节来恢复（部分或完全） 。通常，在一个电池系统到达其寿命后，其容量会急剧下降，需要通过回收来进行重新构建。电化学电池的寿命通常用循环次数来衡量。通过在一定负载下，电池释放其额定容量，然后利用充电进行容量恢复来定义一个循环。 电池寿命从 1/2 个循环（原电池单体：只提供能量，不能被充电） ，到 10,000 个循环甚至更多。对于二次电池单体（可以进行连续充放电的电池） ，循环寿命通常在 300-1000 之
11、间（没有 “非正常使用”的前提下） 。对于二次电池系统而言，它通常有着相似的生命周期，但会不可避免的低一于些。由单体的“不平衡”和“非正常使用”等原因，系统的寿命可能只有单体的五分之一甚至更小。因此，在设计大多数电池系统时，需要在功率、能源和寿命之间有所取舍。高功率和高能量的系统往往有着短暂的寿命，然而更加稳定可靠的系统往往在功率和能量方面表现得不尽如人意。2.1.5 成本虽然成本优化不是这篇文章的落脚点，但系统的成本理当予以考虑。与许多其他的系电池动力列车 (用电池作为列车储能及动力系统)可行性研究报告统一样，电化学效果越好的系统越昂贵。在表 1 里,我们对 4 个电池系统的成本进行了比较。
12、表 1成本是由材料的易获取性和将这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 中的数据取自当前市场价格下的原始设备制造商（OEM） ，不包括与特定应用相关的任何费用（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3.1 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视运行过程中能量的消耗。这并不是说设计是低效或者挥霍的，而是说能量对于任意一段旅程来讲都假定是取之不尽，用之不竭的。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（或）
13、达到目标行驶路线上要求的最大速度。然而，这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。这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。而针对于电力解决方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不足的引擎。任何对牵引系统（电气或化石燃料类型）的分析，都会迅速得出这样的结论：列车牵引系统的功率/能量比是相当高的。这是因为： 列车必须提供快速，便捷的出行才能与汽车和飞机进行竞争（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） 。
14、不幸的是，可以从文章的第 4.1 节看出，常规（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）和飞轮或超级电容系统（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（
15、Battery）中导出, 然后同时流向超级电容阵列(Super-Capacitor Array)和电机 (Motor)。超级电容阵列与电机之间的一些小的能量流可逆，这使得再生制动所产生的能量可以返回到最有用的地方。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/逆变器Inverter）之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（Power-Energy Switch）的装置控制。这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导体/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施。图 1 电电混合系统以上的分析，并没有针对任何具体的系统。
