劉 振，鄒思敏

(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000；2.株洲瑞德爾冶金設備制造有限公司，湖南 株洲 412000；3.湖南工業(yè)大學，湖南 株洲 412000)

1 概述

機車的使用壽命通常不低于30年，根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)保政策要求趨勢，內燃機車在未來30年內必然要求能夠做到綠色環(huán)保的零排放?，F(xiàn)有的能夠達到零排放的車載動力能源主要是氫燃料電池動力系統(tǒng)和化學電池動力系統(tǒng)，但是兩者目前都不能在續(xù)航里程上與傳統(tǒng)的內燃發(fā)電機組系統(tǒng)相比。機車在降低碳排放情況下根據(jù)續(xù)航里程長度劃分，可以采用如下的動力源：氫燃料電池動力包和化學電池動力包構成的混合動力的短續(xù)航方案；正在研發(fā)的氫內燃機發(fā)電機組和化學電池動力包構成未來大功率的長續(xù)航方案。

目前世界范圍內還沒有氫內燃機面世，基于現(xiàn)有的技術，各個機車生產(chǎn)廠家可以采用的車載能源動力包僅有6種可能的技術路線，分別是：內燃發(fā)電機組+化學動力電池包；內燃機發(fā)電機組+氫燃料動力電池包；化學動力電池包+氫燃料動力電池包；內燃發(fā)電機組；氫燃料動力電池包；化學動力電池包。

2 車載動力能源技術路線分析

現(xiàn)有國內外的混合動力機車的6種動力組合技術路線中，“純氫燃料動力電池包+內燃發(fā)電機組”在降低碳排放方面自相矛盾，不符合政策導向，因此本文將不對該技術路線進行分析。

2.1 內燃發(fā)電機組(含多機組合)

目前，傳統(tǒng)的內燃機在歐洲市場上并沒有完全退出歷史舞臺，2019年英國的GB公司仍在購買Class66的純內燃機車，但在目前的環(huán)保政策趨勢下，各車輛設計公司在新設計內燃機項目上，如果不改變原有的技術路線，在適用環(huán)保政策上，唯一能做的便是采用能夠滿足更高尾氣排放標準的內燃機。目前最高的尾氣排放標準是歐V的排放標準，新的標準可以通過尾氣處理方式或者更優(yōu)的燃燒技術減少其他有害氣體的比例，但無法減少碳排放。新的標準只是降低尾氣排放中有害氣體的排放量，并沒有要求降低碳排放量。基于新標準要求，各內燃機廠家如MTU或者MAN都在進行滿足新標準排放要求的內燃機研究，同時也在開發(fā)“內燃機+動力軸輸出端增加牽引或制動電機”的方式，提高內燃機輸出功率的利用率，以此來增加燃油效率，間接地降低碳排放。

第二種技術路線就是通過多個小功率的內燃機來代替大功率的單個內燃機的技術路線。這種技術路線在龐巴迪的Traxx系列機車的MDE機車上已經(jīng)實踐。這種根據(jù)整車功率需求確定工作內燃機數(shù)量的技術路線，目的是讓每個段內的柴油機都盡可能地工作在最佳工作點，提高燃油單位質量的輸出功率，在達到節(jié)省燃油目的同時，降低總的碳排放量。

上述兩種方式都是通過提高系統(tǒng)燃油效率的方式，降低CO2和其他有害氣體的排放，但是均只能降低碳排放。這兩種技術路線在降低碳排放方面的極限是消耗的功率等于柴油最佳燃燒的輸出功率的碳排放值，受限于現(xiàn)有的柴油機的效率，在軌道交通大功率、長距離運行的情況下，大部分柴油機工作在高效率階段，效率相差不是很大，因此二氧化碳的排放總量不會明顯降低。

2.2 動力電池技術路線

株洲電力機車公司在20世紀已經(jīng)在新加坡銷售鉛酸電池的調車機車，還有一些礦藏企業(yè)使用這種機車進行作業(yè)。這種方式的機車在歷史上出現(xiàn)得較早，最早的是英國的工程師采用富液式鉛酸電池進行過相關原型車的設計，但由于車載能源電量太低沒能成功推向市場。隨著電池技術的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了以膠體鉛酸電池為主的調車機車。在電池儲能總能量方面，車載電池包雖然車載能量非常有限，但是車輛生產(chǎn)廠家設計的機車車輛已經(jīng)可以滿足一般的城軌線路在建設線路階段時的運輸需求，以及城軌車輛段內的調車作業(yè)需求。

株洲電力機車有限公司同時還研發(fā)出了“25 kV接觸網(wǎng)+鋰電池”版本的大功率干線調車機車以及“蓄電池調車機車+增程動力電池車”的高續(xù)航版本的零排放車輛。其中，“蓄電池調車機車+增程動力電池車”已經(jīng)在深圳地鐵投入使用。這兩個版本是在蓄電池調車機車領域目前已知續(xù)航里程最大的機車，在一定程度上緩解了車載能源儲能不足的問題。其中“鋰電池+接觸網(wǎng)調車機車”增加續(xù)航里程的技術原理是通過供電網(wǎng)來減少車載電池在“有電+無電”作業(yè)區(qū)間中有電區(qū)間動力電池的需求，同時通過使用能量密度更高的鋰電池來提高車載能源的電量，間接地增加里程。增程蓄電池小車就更直接，可以根據(jù)需要來配置增程電池的電量[2]。

但是無論哪種延長續(xù)航里程的方式，目前已知的動力電池的續(xù)航里程均不超過200 km，導致了現(xiàn)有的蓄電池機車動力電池作業(yè)不能進行長距離作業(yè)，這也導致動力電池機車的動力電池使用范圍限制在了有限距離間歇工作的調車，如作為地鐵天窗期的作業(yè)、偶發(fā)的地鐵正線救援或港口短距離作業(yè)。

2.3 氫燃料電池技術路線

氫燃料電池也是電池的一種，目前這種電池的技術優(yōu)點非常明確，就是零排放溫室氣體。氫燃料電池動力包和內燃發(fā)電機組比，單位體積的比功率比內燃機差(包含氫氣儲能系統(tǒng)后)，導致單純使用氫燃料電池的機車，在機車車輛上有限的空間和重量上用燃料電池峰值功率太低。

該技術路線現(xiàn)在的技術難題是：如何在保證安全的情況下提高燃料電池單位體積的功率，提高氫氣綜合能量利用率以及儲存氫氣的儲存氣量。這些技術難題都是短時間無法解決的。因此，目前還沒有純氫氣燃料電池的機車車輛出現(xiàn)。

2.4 “內燃發(fā)電機組+動力電池包”技術路線

“內燃發(fā)電機組+動力電池包”技術路線是目前市場上比較多見的混合動力機車技術路線。該技術路線的好處是：從理論上通過提高系統(tǒng)能量的利用率來減少燃油消耗，提高燃油效率，降低碳排放。其中，動力電池包的用途是：電制動時能量的吸收；混合動力模式下增加系統(tǒng)的峰值功率；維持柴油機在高效率燃燒區(qū)域(該功能涉及各個公司的技術秘密，尚沒有對外公開的資料)。

這種技術路線基本可以分為3種：①以動力電池為主，柴油機發(fā)電機組給蓄電池進行充電用。②以柴油發(fā)電機組為主，電池包為能量吸收單元和短時增加功率的單元(一是柴油機直接驅動，在動力輸出軸增加電機用于吸收制動能量或短時增加整車功率，以及額外配置電機的相關動力電池包以及逆變器等電氣設備；二是“柴油發(fā)電機組+動力電池包”，在中間供電環(huán)節(jié)進行混合動力)。③柴油機組功率和動力電池功率接近，動力電池包和柴油發(fā)電機組對整車功率貢獻接近，通常附帶自動啟停功能。

這些技術路線是目前市場上典型的混合動力模式。同時，目前正在研究的氫氣內燃機，在未來一旦可以實現(xiàn)，這種技術路線下的車輛最容易升級，只需要將現(xiàn)有的柴油內燃機換成氫氣內燃機，將現(xiàn)有的柴油油箱換成儲氫系統(tǒng)即可。

2.5 “氫燃料動力電池+化學動力電池包”技術路線

氫燃料動力電池由于其自身單位體積的峰值功率的限制，在電力機車上很難作為單一車載能源供機車使用(經(jīng)過基本方案驗證單獨使用氫能源，4軸16 t軸重機車很難做到800 kW)。作為車載動力源中的一種，氫氣燃料電池的零排放和無排放的高功率化學動力電池混合動力是一種較實際的技術路線。在這種技術路線中，氫能源動力電池包為車輛運行提供車輛平均能耗下的能量，化學動力蓄電池作為動力不平均輸出的儲能設備存在，化學儲能的動力電池在需要電能時快速、動態(tài)、高功率地釋放電能，化學動力電池包是提供機車運行中能量波動的緩沖部件。

從理論上說，目前的“氫燃料動力電池包+化學動力蓄電池包”混合動力機車對線路的針對性更強，在車輛設計階段需要根據(jù)線路平均功率、極限功率以及線路的長坡道和負載情況模擬計算出車輛的平均功率、車載能源的能量需求、車輛的峰值功率，據(jù)此來最終確定相關混合動力氫氣燃料電池和化學電池的配比。采用這種技術路線設計的車輛對用戶的使用以及線路的條件都需要更加精準的掌握，才能設計出符合客戶需求的車輛。

3 混合動力調車機車的市場需求

市場對混合動力機車的需求產(chǎn)生的動力是強制的環(huán)保政策，在沒有政策強制情況下，經(jīng)濟實惠的內燃機車很難短時間內被取代。但是隨著人類生活水平的提高，對環(huán)保的要求越來越高，尤其是在2050年實現(xiàn)“碳中和”，化石能源基本要退出歷史舞臺。軌道交通雖然沒有明確的時間計劃表，但是在整個社會“碳中和”政策下，軌道交通去化石能源也是一種大的趨勢?；诖?，需要換代內燃機車的企業(yè)或運營商，在可接受經(jīng)濟范圍內一般均會選用混合動力機車。

基于現(xiàn)有的氫能源動力燃料電池的功率和續(xù)航能力的限制，現(xiàn)有市場購買的主力車型以“內燃發(fā)電機組動力包+化學動力電池包和內燃發(fā)電機組+接觸網(wǎng)供電”為主。購買較多的客戶是德國國家鐵路局，其他的業(yè)主有小批量采購“動力電池包+接觸網(wǎng)供電”的機車(動力電池包主要在港口無電區(qū)間運行和部分正線短距離無電區(qū)間運行)，并沒有對“氫燃料動力電池包+化學動力電池包”機車進行大批量采購，但是采購了不少“氫燃料動力電池包+化學動力電池包”的輕軌車輛。目前只有德國國家鐵路局正式開始大批量采購相應的調車機車，市場處在培育的初步階段，還沒有達到快速增加階段。現(xiàn)在采購內燃機車最大的風險是在其全壽命周期30年后，已經(jīng)超過全面“碳中和”政策最遲執(zhí)行的時間(2050年)，這將導致車輛在壽命周期內可能因為政策原因提前退役。

4 混合動力機車系列技術路線和平臺的搭建分析

現(xiàn)有的混合動力機車系統(tǒng)平臺的搭建，需要目標客戶群體，車輛使用范圍、目標的客戶容量都是平臺規(guī)劃的重要參數(shù)。在目前內燃機整體換代的情況下，混合動力機車市場的容量是不用質疑的[1]，但是市場最終會選擇哪種技術路線成為主流還不確定。

現(xiàn)有6種可能技術路線中，能夠達到零排放技術路線的有化學蓄電池動力包、氫燃料動力電池包以及“化學動力電池包+氫燃料動力電池包”；能夠降低碳排放的有“內燃發(fā)電機組動力包+化學動力蓄電池包”或者“內燃發(fā)電機組動力包+接觸網(wǎng)供電”。在這些模式中，“內燃發(fā)電機組+接觸網(wǎng)供電”技術路線并不能減少原本無電區(qū)間內燃機的實際排放，只是解決了純內燃機在有電區(qū)間使用時的排放。而在有電區(qū)間原本就可以使用電力機車，因此本質上沒有減少內燃機車在無電區(qū)間運行的碳排放。

剩余的幾種技術路線中，“氫燃料動力電池包”單位體積的峰值功率不高，在車輛短時爬坡過程中難以勝任，所以在實際使用中也只能是小功率運行?；瘜W電池動力包受限于車輛空間和重量，導致車載總能量有限，因此這種技術路線不可能進行長距離持續(xù)運行，只能是有限距離(通常小于100 km)持續(xù)運行，較遠的距離就需要中途充電?！皻錃馊剂蟿恿Π?化學電池動力包”和“內燃機發(fā)電機組+動力電池包”這兩種技術路線理論上都可以長距離持續(xù)運行。從碳排放上看，“氫燃料電池包+化學電池動力包”是零排放，但是相同車型峰值功率比“內燃發(fā)電機組+化學動力電池包”的技術路線小。

通過上述分析，混合動力車輛技術路線需要根據(jù)運行線路的長短以及車輛功率大小需求進行選擇。在小功率不持續(xù)運行的情況下，可以選擇動力電池動力包或氫燃料動力電池包技術路線，或者兩者組合的技術路線；長距離運行目前唯一的技術路線是“內燃發(fā)電機組+化學動力電池包”。其他的技術路線中，氫燃料動力電池包受限于比功率體積，替換現(xiàn)有的內燃機的氫燃氣內燃機尚未研發(fā)成功，這兩種技術尚不知何時能夠突破，基于這兩種技術路線的軌道交通車輛，短時間內不太可能做到零排放。

5 總結及展望

混合動力機車是“碳中和”外部政策驅動下的一個新的市場需求，目前還在市場培育期間。市場期望是明確的零碳排放，但是技術路線是不確定的。在世界范圍內，各個車輛生產(chǎn)設計廠家和軌道交通運營客戶以及政府的政策制定部門都在探索相關技術和市場的可能性。在此背景下，各個非傳統(tǒng)內燃機車公司的機會較大。混合動力機車的核心難題在于混合動力的控制，即不同功率等級和電源特點下的協(xié)同控制。與傳統(tǒng)內燃機車比較，電力機車在控制系統(tǒng)方面技術更有優(yōu)勢。在“碳中和”政策釋放過程中，傳統(tǒng)的內燃機車將逐步退出市場，因而會形成極大的市場需求，未來的發(fā)展值得持續(xù)關注。