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第 6 期 总第 181 期 2013 年 12 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E C H A N l C A L E N G IN E ER IN G A U T M A T I N N O 6 D ec 文章 编 号 1672 6413 2013 06 0109 03 燃料 电池 蓄电池混合动力车辆能效评估 潘 西 湘 王 月 明 唐 阳 西南交通大学 机械学院 机车车辆实验室 四川 成都 610031 摘要 为替代传 统车辆的非电气化 区段 内燃机驱动 研发 了用燃料 电池 系统进行 牵引供 电的新 型车辆 将燃 料 电池 蓄 电池 简称 FC Batt 混 合 动力 系统装 于试验 车辆 上 并 在试 验轨 道 上进 行运 行试 验 阐述 了 FC Batt 混合动力试验 车辆 的研 发过 程 并对 混合 动力 系统 的能效和燃料消耗率做 了评估 关键词 燃料 电池 锂离子电池 混合动力 能效 燃料 消耗率 中图分类号 T P 273 文献标识码 A 0 引言 目前 氢气作为燃料因能产生清洁高效 的动力 而 备受关注 为替代传统车辆内燃机驱动以及今后替代 电力驱动 铁路技术研究所研发 了用燃料 电池驱动 的 新型车辆 引入 了足 以驱动至少一辆车 的 100 kw级 燃料电池系统 简称 FC 系统 并将 其安装在试验车 辆上进行了运行测试 该车径实际运用还存在许多限 制 如输出功率不能达到传统车辆的加速性能 而且不 能利用 再生 能 量 1 本 研 究 中 开 发 了锂 离 子 电池 系 统 简 称 L i batt 电池 D C D C 变 流器 Batt变 流器 以及 FC B att混合动力 系统 监控器 并将它们与 FC 系统一起安装 在 R 291 试验车辆上 利用再生能量 以 及辅助电源 建立 了一套混合动力 系统 本文将 阐述 上述研发过程及不 同运行条件下能源效率及燃料消耗 率的评估结果 1 FC B att 混合 动力 系统 的研 发 1 1 系统试 验 车的技 术参 数 本研究中 构建 了 F C Batt 混合动力 系统 并 在 列车上进行 了运行试验 图 1 为 FC B att混合动力试 验车辆 混合动力系统包括 由输出直流电压 800 V l 500 V 输出功率 700 kw的单向 D C D C 升压 变流 器构 成 的 F C 变 流器 容量 为 360 kW 能量 为 36 kW h 的锂离子 电池 输 出直流电压为 600 V 1 500 V 输 出功率 360 kW的双向 D C D C 变流器构成的 Batt变流 器 两个输 出功率为 95 kw的三相感应电动机组成的主 牵引电机 容积为 720 L 能承受 35 M Pa 压强的氢气缸 在运用 F C Batt 混合 动力 系统后 列车输 出的数 据较传统车辆得到了改善 2 由原来一辆编组变成了 两辆 牵引功率 由 120 kW提高到 360 kW 燃料 氢 气 利用率由 5 km kg 提高到 7 km kg 能源利用率 提高了 15 且实现了再生制动 图 1 FC B att混 合 动 力 试 验 车 辆 1 2 系统 结构 FC B att混合动力系统很好地结合 了燃料电池和 蓄电池的输出功率 避免因牵引逆变器输入 电压波动 影响其加速性能 为充分利用感应电机产生的再生能 量 F C Batt混合动力系统采用 了如图 2 所示的结构 该结构具有传统牵引系统的特点 如工作条件要求低 可简化主电路等 最合适安装于传统车辆上 图 2 F C Batt 混 合 动 力 系 统 的 结 构 框 图 1 3 锂 电池 的研 发 锂离子电池因具有性能好 可靠性高 价格便宜等 优点而被选作为混合动力系统的蓄电池 在传统锂离 子电池的基础上 对本系统所用锂电池 的充 电和放 电 电流密度进行了新的设计 使其是传统锂离子电池容 量的 10 倍 本系统采用 的电池技术参数为 额定电压 收稿 日期 20 13 04 22 修 回 日期 20 13 06 22 作 者简介 潘西 湘 1989一 女 四川凉 山人 在读硕士研究生 主要从事城市轨道 车辆的研究 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 110 机 械 工 程 与自 动 化 2013 年第 6 期 604 8 V 容 量 60 A l l 功率 360 k W 电池 采用 了 168 块串联 2 组并联 的结构 1 4 B att 变 流 器 的 研 发 为 将 锂 离 子 电 池 应 用 于 混 合 动 力 系 统 研 发 了 B att 变流器 其用 于将锂离 子电池 电压在 600 V 和 1 500 V 之间进行双向转换 变流器主电路类 型为双 向 D C D C 最大功率 360 kw 低位电压 500 V 720 V 高位电压 1 500 V 质量为 2 400 kg 外形尺寸 长 宽 高 为 4 5 m 1 0 l B 1 65 m 2 FC B att混 合动 力 系统 的控制 通过从 牵 引逆 变 器 IN V 锂 离 子 电 池 FC 系统 及 FC 变流器接受信号的方式 B att变流器控制 F C 变 流器的输出功率和锂离子电池充放 电功率 以维持总 线 电压恒 定 当总 线 电压 超 过 1 500 V B att 变 流器 向锂离 子 电池充 电 反 之 让 电池放 电 提前设 置 了充 电 sO C 目标 值 C EO 和 放 电 SO c 目标 值 C SO B att 变流 器对 F C 变 流 器 的 输 出进 行 控 制 保 持 来 自 SO C 信号位于 C EO 和 C SO 之间 当车辆速度大于 5 km h 时 认为车辆处于运行 中 为获得基于速度的再 生能量 B att 变流器就会减小 C E O 和 C SO 值 故运行 过程 中的 S0 C 会比静止状态 或车辆速度低于 5 kin h 的低 当车辆需要在较高 SO c条件下进行测试时 则需要锂离子电池提供加速能量 为 获取再 生制 动产 生 的最大 功率 将 C E O 值 设 为 7O 为避免 由于 sO C 信号 的振 荡而 发 生共振 将 C SO 值设 为 6O 即比 C E O 值低 1O 这些 Batt 变 流器参 数可 根据 需要 进行 更改 3 FC Batt 混合 动 力系统 燃料 消耗 率及效 率评 估 我们在试验轨 道上对 FC B att 混合动力试 验车 辆进行 了运行试验 并基 于试验结果对混合动力系统 的燃 料消耗 率及 能源 效率 进行 了评 估 本 文对 有无 等 待 S0 C 恢复及 是否开启空调等三种工况下的输 出进 行 了 比较 引 3 1 空调 关闭 时燃料 消耗 率和 效率 的评估 图 3 为 带 有 SO C 恢 复 及 空 调 关 闭 情 况 下 工 况 1 的连续运行试验结果 在有 SO C 恢复情况下 只要 有燃 料 就 可 一 直 进 行 运 行 试 验 基 于 SO C 维 持 在 6O 情 况下 除 了第一 次 以外 连续 进行 了 30 次试验 图 4 为 没 有 S0 C 恢 复 及 空 调 关 闭 情 况 下 工 况 2 的试验结果 在没有 S0 C 恢复的情况下 随着运行 试验的进行 sO C 值渐渐降低 当 SO C 值低于 30 时 试验结束 本工况下 当 S0 c值从 60 降到 3O 可 进行 22 次运行 试验 在这些评估 中 使用下 述公式对燃料消耗率和效 率各 方面 进行定 义 j 燃料消耗率 km kg H z 一 运行距离 kin 氢气消耗量 kg 燃 料 电 池 效 率 一 誓 簧 l 0 2 再 生 效 率 一 磊 毳 3 车辆能效 一 虱 日 E 里 K VV n J 4 其 中 A 为加速能量 B 为辅助能量 C 为 电池放电能 量 氢 气消 耗能 量通 过低 热值 进行 换算 2 0 量 褂 2 0 0 一 一 奄 l 卜 一 时间 s 图 3 工况 l下连续运行试验结果 蕾 删 糕 时 间 s 图 4 工况 2 下连续运行试 验结果 对 于 工况 l 2 表 1 列 出 了燃 料 消耗 率 的 评估 表 2 列出了效率各方面的评估 由表 1 和表 2 可知 当 空调关 闭 无 SO C 恢 复下 氢气耗量 燃料利用率 燃 料电池效率 再生效率及车辆能源效率都优于有 SO C 恢 复情况 表 1工况 1 2 下燃料消耗率评估 运行距 离 氢气耗量 燃料利用率 工况 空调 SO C 恢复 k m Kg km kg H z 1 关 有 17 9 5 0 4 3 55 2 关 无 13 4 3 O8 4 34 表 2 工况 1 2 下效率评估 工况 燃料 电池效率 再生效率 车辆 能源效率 1 4 9 8 4 O 4 64 7 I 2 5 O 5 4 6 7 7 4 8 3 2 空调 开 启 时燃 料 消耗 率和 效 率的评估 图 5 为没 有 sO C 恢复 及空调开启情况下 工况 3 连续 运 行试 验 的结 果 本 工 况 下 当 s0 C 值 从 6O 降到 3O 可进行 16 次运行试验 对于工况 3 表 3 列出了燃料消耗率的评估 而表 4 列 出了效率各 方面的评估 工况 2 和工况 3 的差别仅仅是空调的开 0 O O O O O m 们 0 喝 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2013 年 第 6 期 机 械 工 程 与 自 动 化 关与否 但 在燃料 利用率 和车辆能 效方面却分别 有 1 07 km kg H 和 7 4 的差别 工 况 2 下 要将 SO C 从 30 恢复到 6O 需要花约 12 m i n 而工况 3 则要 花 约 15 m i n 工 况 l中 每次 运行 试验 要将 S0 C 恢复到 6O 均需要花 3 m i n 左右 2 0 o 镇 口 I 删 盆 时同 0 图 5 工况 3 下连续运行试验结果 4 结论 在装有 F C Batt 混合 动力系统 的两辆 车上进行 了运行试验 并对具有 6O SO C 恢复运行工况和没有 SO C 恢复工况进行 了燃料消耗率和效率方面 的评估 结果表明 没有 SO C 恢复工况的燃料利用率和车辆能 源效率分别 比有 SO C 恢复工况好 约为 0 8 km kg H z 和 1O 另外 分析了空调开关之间的区别 结果 表明空调关闭时大约有 1 km kg H 的燃料利用量 和 7 的车辆能源效率的优势 此处 只能简单地确定 车辆能效约 65 9 5的车辆如预期一样具有较高的性能 研发尺寸更小的 FC B att 混合动力系统 并针对实际 运用确定燃料电池寿命是今后的研发方向 表 3 工况 3 下燃料消耗率评估 运行距离 氢气耗量 燃料消耗率 工况 空调 so c恢 复 km 1 g k m kg H z 3 开 无 9 7 2 97 3 27 表 4 工况 3 下效 率评估 参考文献 1 O gden J Stei nburger M M K reutz T G A c om pari son of h yd rog en m eth ano l and gasol i ne fuel s fo r fuel c el l veh i c l es i m pl i c ati on s for th e veh i c l e d esi gn and i nfrastruc ture devel opm ent J J Pow er Sourc es 1999 79 14 3 168 2 T akam i tsu Y am am oto E nergy effi c i enc y eval uati on of fuel c el l s and battei es hybi d rai l w ay vec hi c l es J R T R I R eport 2 0 10 5 1 3 115 12 0 33 Sc ott D S R ogner H H Sc ott M B F uel c el l l oc om oti ves i n C anada J H ydrogen Energy 1993 18 3 256 263 4 P eter M i zsey E sm ond N ew son C om pari son of di fferent vehi c l e pow er trai ns J Journal of Pow er So urc es 2001 2 20 5 2 09 E n ergy E ffi c i en c y E val u ati on o f F uel C el l s an d B atteri es H yb i d R ai l w ay V eh i c l es P A N X i x i an g W A N G Y ue m i n g T A N G Y an g Sc h ool of M ec hanic al E ngi neeri ng Sou thw est Ji aotong U ni vesi ty C h engdu 61003 1 C hi na A bstrac t A n ew typ e o f ru el c el l pow ered rai l w ay veh i c l e w as dev el op ed to rep l ac e c on ven ti on al d i esel v eh i c l es i n n on el ec tri fi ed sec ti ons In thi s w ork a hybri d system usi ng fuel c el l s and batteri es w as i nstal l ed on test vehi c l es w hi c h w ere then subjc oted to ru n ni ng tests o n test trac k T hi s p ap er deseri b ed th e d evel o pm en t o f fuel c el l s an d b atteri es h yb ri d test veh i c l es an d th e ev al ua ti o n o f th i s hy b ri d system s en erg y effi c i enc y and fuel c o n su m pti on rate K ey w o rds fuel c el l l i th i u m i o n b attery h y bri d pow er effi c i enc y fuel c o n sum pti o n rate 上接 第 108 页 Measuri n g S ystem B ased on Mac h i n e V i si on for H i gh prec i si on Ind ustri al Si ze W A N G M el ti ng Q 1 Y ong feng JIA N G W el L I Sheng quan B A O Ji a tong CH EN G H ong hui L V X ue zhi C ol l ege of E nergy and Pow er E ngi neeri ng Y angzhou U ni versi ty Y angzhou 225127 C hi na A bs trac t A i m i ng at m easu rem ent req ui rem ents of h i g h prec i si o n spati al di m en si on s fo r i nd u stry fl th ree d i m ensi o nal m easurem ent system b ased on p ri sm w i th m ul ti p l e i nd u stri al sm art c am eras i s p ro posed an d d esi gn ed T h e system m ai n l y c o nsi sts of fram e c am era b rac k et th ree i nd u stri al sm a