北京交通大學吳健教授：新能源技術在軌道交通領域發展可期

原創2021-04-23 06:58:00·電氣技術

吳健，EVS34“新能源軌道交通技術發展”論壇特邀嘉賓

由世界電動車協會、亞太電動車協會和中國電工技術學會共同主辦的、以“奔向智慧電動出行”為主題的“第三十四屆世界電動車大會暨展覽會（EVS34）”將于2021年6月25—28日在南京舉行，屆時來自世界各地政府、企業和學術機構的領導和精英們都將齊聚一堂，共同探討純電動、混合動力車和燃料電池汽車及核心零部件領域的前瞻性政策、先進技術、杰出市場成就及創新發展趨勢等。

吳健

北京交通大學電氣工程學院新能源研究所教授，博士生導師，國家能源主動配電網技術研發中心副主任。1993-2010年，在中國北車集團工作；2010年至今，在北京交通大學電氣工程學院新能源研究所工作。

 

長期從事軌道交通車載儲能系統、多能源耦合車載能源配置及管理等相關技術的研究工作。牽頭完成完全自主研發的“北車心”大功率交流傳動及網絡控制系統的研發工作，填補了我國在大功率交流傳動技術領域的空白。

 

近年來主持國家863計劃、科技部科技支撐計劃等重點項目多項。完成了鐵路總公司科技研發項目“鋰離子電池在機車車輛的應用和測試規范研究”。公開發表論文10余篇，其中SCI/EI檢索論文5篇，獲發明專利9項。獲得中國鐵道學會科學技術獎二等獎2項，三等獎1項，茅以升鐵道工程師獎，中車集團公司科技進步特等獎1項，一等獎1項。

 

在鋰離子電池應用技術方面，代表中國參與制定《IEC 62928鐵路用鋰離子電池測試標準》國際標準，牽頭制訂中國國家鐵路集團《機車、動車組用鋰離子動力電池測試及評估技術規范》，以及中車集團等的行業及企業技術規范。

在現代經濟社會快速發展進程中，軌道交通已成為新型城鎮化和城市化地區高質量發展的關鍵。“十三五”期間，我國城市軌道交通新增運營里程4000公里。上海、北京、廣州的城市軌道交通運營里程已位居世界前三，形成了龐大的城市軌道交通路網。深圳、成都、南京等城市正在積極建設輕軌、地鐵、有軌電車以及磁懸浮列車等先進的軌道交通運輸網。

目前，我國在城市軌道交通發展方面，不僅要求軌道交通車輛具有載客量大、運行安全、準確性高等特點，還強調在解決城市交通擁堵的同時兼顧環保問題，并且采用新技術、新能源，保證綠色出行和可持續發展。北京交通大學電氣工程學院教授、國家能源主動配電網技術研發中心副主任吳健認為，在碳達峰碳中和目標下，新能源技術在軌道交通領域有著非常好的發展前景。

EVS34工作組：近年來，新能源汽車得到了快速發展，且已經逐漸進入千家萬戶。但大家還不太了解新能源技術在軌道交通機車車輛上的應用，請問都有哪些應用場景，發展前景如何？

吳健：傳統軌道交通機車車輛能源來自于電網（電力機車）或內燃機（內燃機車），隨著對運營可靠性和節能環保要求的不斷提高，以及新能源技術的發展與應用，截至2020年我國鐵路營業里程達14.14萬公里，其電氣化率達到70%左右，而剩余幾萬公里的非電氣化區段上，內燃機車仍承擔著干線運輸、調車作業、建設施工等任務。據國家鐵路局數據，目前國家鐵路機車擁有量為2.1萬臺，其中內燃機車0.77萬臺（占36.5%），由此看來我國鐵路電氣化還有較大的提升空間。

以節能減排為目標，當前世界各國軌道交通領域都在研究如何用綠色能源替代柴油，油-電混合動力、純電池動力、燃料電池動力等眾多新能源軌道交通機車車輛正在逐漸發展中。另外，在以電網供電為主動力源的城市軌道交通領域，由車載電儲能系統為能源的有軌電車得到了越來越多的應用，其不僅可以離網離線運行，并且能在制動時將能量最大化回收，可將能源效率提高30%，進一步減輕電網負擔。

目前，國家鐵路集團與中車集團合作，正在研制3000馬力混合動力調車機車，新開通的京張高鐵動車組也應用了由鋰離子電池作為動力電源的應急自牽引技術。在城市軌道交通領域，取消了影響城市景觀的供電接觸網的儲能式有軌電車已經在多個城市建設及運營，新能源技術在軌道交通領域有著非常好的發展前景。

EVS34?工作組：同樣是鋰離子動力電池，軌道交通機車車輛應用領域與新能源汽車應用領域有何不同？

吳健：從國內外軌道交通車輛用電池來看，當前蓄電池仍是主流，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的可持續發展。與新能源汽車相比，新能源技術在軌道交通機車車輛上的應用發展相對較慢。主要源于軌道交通機車車輛在安全性、功率、能量、環境適應性、壽命等方面，對車載儲能系統的要求都更為嚴格。

在安全性方面，由于軌道交通機車車輛載客或載貨量大，經常在地下或高架上運行，因此相較于新能源汽車，其對安全性要求更高。在功率及能量方面，軌道交通機車車輛的驅動功率是兆瓦級的，裝機容量也遠高于新能源汽車。由于驅動功率大，動力電池系統電壓也將達到1500V等級，這些參數要求都遠高于新能源汽車。

在環境適應性方面，按照軌道交通行業標準的要求，軌道交通車輛需要在-40℃~+40℃范圍內運行，這也對熱保障系統提出了更高要求；在壽命方面，軌道交通機車車輛是運營車輛，每天運營時間在10h以上，因此儲能系統的循環壽命直接影響到機車車輛的全壽命周期成本。

綜上所述，電動汽車用鋰離子電池系統目前尚無法應用于軌道交通領域，軌道交通機車車輛需要根據需求選擇合適的電芯，并按軌道交通行業標準進行系統設計及電池組生產制造等。經過多年的發展，目前大容量鋰離子電池的材料、制造和應用技術已經相對成熟，相信在不久的將來，大功率鋰離子電池將會滿足更大的牽引電源需求，并被應用于牽引電源系統中。

EVS34工作組：鋰離子動力電池在軌道交通行業執行標準與新能源汽車領域有何不同？

吳健：在軌道交通領域，IEC/TC9于2017年底發布了首個軌道交通車輛牽引用鋰離子電池的國際標準IEC 62928:2017，規定了鐵路應用車載鋰離子牽引電池的設計、運行參數、安全建議、數據交換、例行和型式試驗以及標記和標志。在國內，2019年中車集團發布了關于鋰離子動力電池的中車企標；2020年國家鐵路集團頒布并實施了《機車、動車組用離子動力電池試驗暫行技術規范》等標準，目前正在制定城市軌道交通車輛用鋰離子電池相關標準。

軌道交通行業標準與新能源汽車行業標準的不同之處，主要體現在對安全性的要求上。新能源汽車國標中取消的針刺試驗在軌道交通行業標準中得以保留，并要求不能爆炸及起火。對于電池包和系統，在短路、熱失控及熱蔓延情況下，也不能出現爆炸及起火現象。另外，在電磁兼容、振動沖擊、絕緣耐壓、環境適應性測試等方面，均采用了軌道交通行業的通用標準要求。

EVS34工作組：目前，國家在新能源軌道交通領域是否有政策方面的支持？

吳健：城市軌道交通是國家交通命脈所在，極大地影響著人們的生產和生活。例如，北京西客站目前還有許多內燃調車機車在運營中，其噪音及排放較大，影響了周邊居民的生活，采用新能源技術的軌道交通車輛研發與應用已經迫在眉睫。

對于新能源軌道交通車輛技術的開發與應用，我國目前尚處于研發試用階段，如中車集團研發的全球首列商用型燃料電池/超級電容/動力電池100%低地板有軌電車，已在河北省唐山市工業旅游線投入商業化示范運行。雖然有些技術問題仍需攻關完善，但是我們可以結合在新能源汽車領域的成功經驗，開展新能源軌道交通車輛技術的研究工作。

新能源軌道交通是一個細分的專業技術領域，目前國家還沒有出臺相關政策方面的支持。因此，在這里呼吁相關國家部委關注新能源軌道交通行業的發展，盡快出臺扶持政策，促進新能源技術在軌道交通行業的發展。