電池動(dòng)力列車(用電池作為列車儲(chǔ)能及動(dòng)力系統(tǒng))可行性研究報(bào)告(參考版)
2025-05-02 12:29本頁面
【正文】 即便是在未來，文中所預(yù)測的技術(shù)突破如期而至的前提下，其運(yùn)營成本也只能和傳統(tǒng)柴油列車基本持平。6 對(duì)該研究結(jié)果的引申（在這一章中，作者主要是對(duì)之前提到的兩個(gè)解決方案的成本進(jìn)行了分析和估計(jì)。 同樣，相關(guān)領(lǐng)域相對(duì)較小的技術(shù)革新也是有可能的。 儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展方向和前景使得對(duì)系統(tǒng)長期解決方案的預(yù)測變得不太可能。這一方案很好的克服了以上近期方案中在成本和使用壽命方面存在的一些固有問題，并提供了一個(gè)較低重量和體積的系統(tǒng)。反映在系統(tǒng)尺寸上， 該電池系統(tǒng)重約2噸。盡管如此，分析中的大量數(shù)據(jù)結(jié)論以及在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的可應(yīng)用系統(tǒng)仍被認(rèn)為是基于現(xiàn)有能量和動(dòng)力儲(chǔ)能技術(shù)的最佳方案。 本研究中所進(jìn)行的分析是比較淺顯的。實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)將會(huì)需要大量的研究和開發(fā)。然而其經(jīng)濟(jì)成本（針對(duì)任何系統(tǒng)）將是可觀的。)5 電氣儲(chǔ)能系統(tǒng)總結(jié) 從分析和仿真的結(jié)果來看，用電池/超級(jí)電容器來驅(qū)動(dòng)列車的方案是可以通過當(dāng)前技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)的。但飛輪技術(shù)從本質(zhì)上來講已經(jīng)相當(dāng)成熟，很難再有突破性的發(fā)展。 在動(dòng)力儲(chǔ)備方面，飛輪和超級(jí)電容器都可以作為備選項(xiàng)。以鋅空氣電池為代表的機(jī)械式可充電系統(tǒng)[Mechanically Rechargeable Systems]，雖然具有更高的能量密度，但其無法達(dá)到該應(yīng)用所要求的功率密度，其放電倍率受到了限制。 綜上所述，我們建議，除非其他因素（如成本）凌駕于這些考慮之上，那么最佳的解決方案將是用單一電池組為列車的整條線路提供所需的能量。去除系統(tǒng)多余熱量的額外需求將會(huì)影響到電池的設(shè)計(jì)，反映在重量、體積和花費(fèi)上。邏輯上最佳解決方案即在終點(diǎn)站更換電池。由于目前超級(jí)電容器的能量密度還比較低，這個(gè)方案將得不償失。更頻繁的電池更換所帶來的影響需要由更高容量的超級(jí)電容器系統(tǒng)來抵消。 盡管有觀點(diǎn)認(rèn)為，存在著能夠進(jìn)行更高功率放電（更高倍率）的電池單體，但以上的分析仍然是相關(guān)的：放電倍率更高的電池更需要顯著有效的冷卻措施。圖 14 熱產(chǎn)生 即使在熱產(chǎn)生是可計(jì)算的情況下，顯而易見的是低容量的電池將會(huì)比高容量的電池需要更復(fù)雜的熱管理。 計(jì)算的結(jié)果示于圖14。圖 13 電池組最大功率 假定一個(gè)現(xiàn)實(shí)的放電輸出功率范圍150kW～300kW，則電池的熱效應(yīng)可以被計(jì)算。 熱效應(yīng)可以通過基于經(jīng)驗(yàn)的一些現(xiàn)實(shí)的假設(shè)進(jìn)行評(píng)估。熵系數(shù)通常表示為當(dāng)法拉第電荷通過該系統(tǒng)時(shí)，隨溫度變化的能量。 假設(shè)需要Nseries個(gè)單體串聯(lián)來提供電池電壓。 整個(gè)路線中所使用的電池模塊數(shù)量為N。電池在必要時(shí)可沿途更換。這通常意味著它的功率都要滿足某一規(guī)范，并且對(duì)于任何給定的路線和列車編組，功率需求的數(shù)據(jù)將保持不變。在這項(xiàng)研究中所考慮的應(yīng)用程序的放電倍率是中到高，因此系統(tǒng)的熱管理將是一個(gè)需要的考慮問題。在低的放電和充電倍率下，所產(chǎn)生的熱通過電池的熱質(zhì)量吸收，并通過自然過程揮發(fā)到周圍環(huán)境中去。圖 11 超級(jí)電容器的能量需求（針對(duì)不換電池的旅途） 因此，對(duì)于擁有較高放電倍率的電池，雖然系統(tǒng)的需求變少了，但出于工程上的考慮，更頻繁的電池更換策略方案還是缺乏吸引力的。 （通常這被認(rèn)為是一個(gè)很高功率的應(yīng)用）。這意味著，如果超級(jí)電容器的功率受到限制，例如由于環(huán)境溫度或其他影響，則對(duì)其性能的影響將會(huì)是最小的。 因此，可以得出的結(jié)論是，雖然沿途換電池是完全可行的，但其工程后果卻不支持這個(gè)策略。圖 10 超級(jí)電容器的能量需求（針對(duì)需三次換電池的旅途） 當(dāng)然，這些結(jié)果都假定電池的放電倍率被限制為1C小時(shí)率。（圖9）圖 9超級(jí)電容器的能量需求（針對(duì)中點(diǎn)換電池的旅途） 針對(duì)四分之一路線換電的方案，電容器甚至有更高的能量需求（圖10）。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以預(yù)見的是，針對(duì)每段旅途，列車所消耗的能量和時(shí)間在新的半程路線上大致為之前的一半。通過相同的假設(shè)，重復(fù)上面的分析。因此，人為的選擇一段距離，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在下一個(gè)速度為零的時(shí)刻進(jìn)行拆分。圖 8超級(jí)電容器的能量需求（針對(duì)不換電池的旅途） 較短路線/較頻繁電池更換帶來的影響 如果要評(píng)估中途更換電池所帶來的影響的話，上述仿真數(shù)據(jù)就需要被拆分。 從圖上可以看出，電容器所需的能量在高于某一功率限制值時(shí)，也是相對(duì)恒定的。 在較低的功率限制值時(shí)，這個(gè)雙脈沖將合并成一個(gè)更大能量需求的單一長脈沖。 值得注意的是，在圖8中能量值的一個(gè)明顯的跌落（藍(lán)色曲線），是由圖4中的第二次簡化造成的，是模擬仿真的產(chǎn)物。當(dāng)電容器的功率值為負(fù)時(shí),電容器的能量值自然為零（參見圖7）?？梢钥闯?，對(duì)于一定的低功率需求而言，所需電容器的功率值為負(fù)，即電容器不是必需的。 應(yīng)用上述方法，允許計(jì)算電容器的殘余功率和能量。這大概是由于線速度的限制和其他條件，
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