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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33.1 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
2、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31 介绍（无参考价值）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。122.1 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
3、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
4、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）; 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2000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
5、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
6、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7501500V）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
7、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
8、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。 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
9、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。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
10、体（可以进行连续充放电的电池），循环寿命通常在300-1000之间（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。表 1
11、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）。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）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
12、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）。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
13、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 。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（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
14、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。3.2 分析选定两条路线作为范例，通过应用伯明翰大学（University of Birmingham）创建的列车模拟软件对
15、其进行分析，来研究影响电池能量和功率之间权衡的因素： Cardiff Central 到 Rhymney Stratford Upon Avon 到 Birmingham Moor Street 模拟中使用了从125kW到875kW可变牵引动力的列车来调查有限动力对旅途时间和车辆在每条路线上维持其线速度能力的影响。一条典型路线上的动力曲线如图2。 每条运营路线所需的动力和能量值都是现有的，亦或可以从仿真结果中计算得出。而用于单独计算电池和电容器对整个系统动力和能量的贡献的方法将会在第3.3节中详细介绍。图 2 高动力需求的路线分布图3.3 方法既然旅途中所需的牵引能量全部来自于电池，那么传递的
16、总能量就可以通过对功率需求量的积分来计算。图3所示，在一段典型旅途（图3里的曲线）中，累积的总能量。可以看出，该累积的过程大致上是线性的，只是在加速与减速的时候有小幅的波动。如果从该曲线中减去一条直线（图3里的斜线），那么能量的差值就代表了在这段旅途时间段内，电池持续放电过程中系统平均功率的变化。通过改变该直线的斜率，平均功率的差异可以被减小。图 3 路线上的累积能量当电池以一个恒定倍率被放电时,图中曲线的终点定义了电池的净能量。假设电池以1小时的倍率被放电，由此定义系统的基准动力。此基准动力与牵引系统所需动力间的缺损由电容器系统进行补给。对模拟的动力曲线中波纹的分析表明，系统的动力需求是通过
17、脉冲的形式呈现的，中间包含了频繁出现的零功率和负功率值（见图2和图4）。假设正脉冲之间的时间间隔足以让电容器恢复能量（从电池或从制动能量回收），并且在制动能量回收过程中，任何多余的动力都可以由电池吸收。那么在每个单独的脉冲中，电容器里储存的能量就可以被计算出来。为了满足该路线的需求，电容器的能量必须足以应付动力需求最苛刻的脉冲。图 4 电容器详细工况应注意的是，该研究方法在以下方面做了简化处理： 对电容器系统的需求分布不可以是高度不对称的。例如，在一条路线中，有可能只在一个特殊的时段有特别高的动力需求。 假定在两个动力需求脉冲之间有足够的时间来给电容器恢复能量，来应对下一个脉冲。这些限制条件都
18、可以通过一个更详细的分析来克服，但该方法在现阶段用于可行性研究的分析是足够的。3.4 模拟仿真的结果应当注意的是，该方法并没有对路线或电池/超级电容器的这种搭配方式进行任何假设。因此，该方法可以应用到路线中，来研究电池替代的影响，以及评估改变电池和电容器参数所带来的影响。 该模拟是通过对牵引系统施加一系列的动力限制条件来进行的。因而，每次得到的速度和时间对于任何给定的旅程是不同。在提供的数据中，有25个动力等级，范围从大约125kW875kW不等。 起初，完整的路线是能够被评估的。 针对两条路线的行程时间和总的能量需求都呈现在图5和图6中。可以看出，随着动力受限值的逐步提高，旅程时间在不断增加
19、，但实际消耗的能量却在降低。超过一定的水平，动力的增加实质上不会影响旅程时间或能量的消耗。这大概是由于线速度的限制和其他条件，如停站时间等。 图 5 路线1的旅程时间和能量消耗 从Cardiff Central 到 Rhymney图 6路线2的旅程时间和能量消耗 从Stratford Upon Avon 到 Birmingham Moor Street可以注意到，研究的两条路线都要求类似的能量大小和行车时间，尽管路线本身被认为是完全不同的。应用上述方法，允许计算电容器的残余功率和能量。路线1所需的电容器功率如图7所示。可以看出，对于一定的低功率需求而言，所需电容器的功率值为负，即电容器不是必需
20、的。图 7 超级电容器所需功率图8是电容器在该路线上的峰值能量曲线图。当电容器的功率值为负时,电容器的能量值自然为零（参见图7）。然而随着列车功率限制值的增加,所需电容器的能量也迅速攀升,并在功率值较大的时候渐近于某个值。值得注意的是，在图8中能量值的一个明显的跌落（蓝色曲线），是由图4中的第二次简化造成的，是模拟仿真的产物。峰值能量是由图4中所显示的350470秒之间的双脉冲放电定义的; 在较低的功率限制值时，这个双脉冲将合并成一个更大能量需求的单一长脉冲。因此，根据图8中的曲线来推断能量的趋势是合乎情理的。从图上可以看出，电容器所需的能量在高于某一功率限制值时，也是相对恒定的。 路线2所需
21、的电容器能量大小及趋势走向类似于路线1，但所需要的能量最大渐进于9kWh而不是12kWh。图 8超级电容器的能量需求（针对不换电池的旅途）3.4.1 较短路线/较频繁电池更换带来的影响如果要评估中途更换电池所带来的影响的话，上述仿真数据就需要被拆分。由于仿真结果随着功率等级的改变而改变，因此需要通过找到相同的行驶里程来对数据进行拆分。因此，人为的选择一段距离，实验数据在下一个速度为零的时刻进行拆分。采取这种手段时，行程被分大致分成两半。通过相同的假设，重复上面的分析。由于列车编组并没有显著改变（忽略由于较低容量的电池带来的质量上的改变），因此在新的半程路线上，到达每个地点所需的能量大致和以前相
22、同。实验结果表明，可以预见的是，针对每段旅途，列车所消耗的能量和时间在新的半程路线上大致为之前的一半。然而，电容系统所需能量和动力的剩余将会增加，当然，如果不需要电容系统的话，那么功率限制也就不存在了。（图9）图 9超级电容器的能量需求（针对中点换电池的旅途）针对四分之一路线换电的方案，电容器甚至有更高的能量需求（图10）。同样，如果系统不需要电容器的话，那么功率限制也就不存在了。图 10 超级电容器的能量需求（针对需三次换电池的旅途）当然，这些结果都假定电池的放电倍率被限制为1C小时率。在较高可允许的放电倍率下（注：参见第3.5节，为什么这可能不是一个适当的选项），此模拟方案的细节会改变，但
23、基本趋势不会。因此，可以得出的结论是，虽然沿途换电池是完全可行的，但其工程后果却不支持这个策略。当功率限制超过一定的值后，大多数的分析表明，曲线都将趋近于一条渐近线。这意味着，如果超级电容器的功率受到限制，例如由于环境温度或其他影响，则对其性能的影响将会是最小的。 类似的分析同样可以应用在能够进行15分钟放电倍率的电池上。 （通常这被认为是一个很高功率的应用）。在这种情况下，针对全程不换电池的路线，电容器仅需在高功率需求时使用（图11）。图 11 超级电容器的能量需求（针对不换电池的旅途）因此，对于拥有较高放电倍率的电池，虽然系统的需求变少了，但出于工程上的考虑，更频繁的电池更换策略方案还是缺
24、乏吸引力的。（见图12）图表 12 超级电容器的能量需求（针对需三次换电池的旅途）3.5 电池热效应所有的电池在工作时都会产生热。在低的放电和充电倍率下，所产生的热通过电池的热质量吸收，并通过自然过程挥发到周围环境中去。在更高的倍率下，热能必须主动的从系统中移除。在这项研究中所考虑的应用程序的放电倍率是中到高，因此系统的热管理将是一个需要的考虑问题。一辆典型的列车，在设计时需要满足一定的性能要求，来维持一个特定的列车时刻表。这通常意味着它的功率都要满足某一规范，并且对于任何给定的路线和列车编组，功率需求的数据将保持不变。假设一辆列车由电池系统驱动，该系统搭载的能量是整个路线所需总能量的一部分。
25、电池在必要时可沿途更换。整个路线所需能量为Eroute。整个路线中所使用的电池模块数量为N。那么，此外，假设每个电池模块都由一组单体组成，每个单体的电压为Vcell (V), 内阻为Rcell (ohms)，以及能量为Ecell (Wh). 这些单体被构建成一个串并联的序列，向系统输出一个恒定的开路电压Vbatt。假设需要Nseries个单体串联来提供电池电压。那么一条串联阵列里，单体的数量为：每个电池块里，单体的数量为：并联单体串的数量为：电池块的内阻为：电池产生的热有两个主要来源： 欧姆效应（单体和电解液电阻）和化学反应的熵效应。熵系数通常表示为当法拉第电荷通过该系统时，随温度变化的能量。
26、在高放电倍率下，这一系数较欧姆效应来讲相对较小，因此在这里计算时，它可以忽略不计。热效应可以通过基于经验的一些现实的假设进行评估。 假设之前所述案例里的一条路线所需能量为300kWh，电池块的开路电压为300V，并且单体的特征数据如下：基于这些数据，当电池所提供的能量大小占线路总能量的一定百分比时，其最大功率如图13所示。图 13 电池组最大功率假定一个现实的放电输出功率范围150kW300kW，则电池的热效应可以被计算。（注意当电池所能提供的能量大小小于整条线路所需能量的30%时，300kW将大于其最大可用输出功率值），即无法在更高的功率下，对电池进行放电。计算的结果示于图14。可以看出，在
27、较低的容量时，会有非常高的热产生，并且在某些情况下，曲线将不复存在，因为电池产生热效应的功率将会大于其最大可用输出功率（图13）。图 14 热产生即使在热产生是可计算的情况下，显而易见的是低容量的电池将会比高容量的电池需要更复杂的热管理。这将会直接影响系统的大小和重量，从而进一步降低了中途频繁更换电池这一方案的吸引力。尽管有观点认为，存在着能够进行更高功率放电（更高倍率）的电池单体，但以上的分析仍然是相关的：放电倍率更高的电池更需要显著有效的冷却措施。3.6 结论第3.4节的分析表明，对于中高的列车性能要求，使用电池/超级电容器混合动力系统在设计上是唯一切实可行的办法。更频繁的电池更换所带来的
28、影响需要由更高容量的超级电容器系统来抵消。这意味着，通过更频繁的电池更换所减少的系统重量，将会通过替换容量更大的超级电容器的方式又增加回来。由于目前超级电容器的能量密度还比较低，这个方案将得不偿失。因此，处于以上的这些考虑，系统的设计将趋向于一个不需频繁更换的方案。逻辑上最佳解决方案即在终点站更换电池。第3.5节的分析表明，电池里的热产生会带来热管理问题。去除系统多余热量的额外需求将会影响到电池的设计，反映在重量、体积和花费上。因此，不太频繁的电池更换方将会是更好的设计选择。综上所述，我们建议，除非其他因素（如成本）凌驾于这些考虑之上，那么最佳的解决方案将是用单一电池组为列车的整条线路提供所需
29、的能量。4 电池（能量储备）和超级电容器（动力储备）选择(经过分析表明，就当前而言，锂离子电池是用作列车储能系统的最佳选择。以锌-空气电池为代表的机械式可充电系统Mechanically Rechargeable Systems，虽然具有更高的能量密度，但其无法达到该应用所要求的功率密度，其放电倍率受到了限制。如果该问题在未来得到了解决，例如其可以达到1C以上的放电倍率，那么以锌-空气电池为代表的机械式可充电系统将会是用作列车储能系统的更好选择。在动力储备方面，飞轮和超级电容器都可以作为备选项。就目前而言，在满足列车功率需求的条件下，飞轮比超级电容器有着较高的能量密度，因此，飞轮在重量和体积上
30、存在着一定的优势。但飞轮技术从本质上来讲已经相当成熟，很难再有突破性的发展。而超级电容器技术相对来讲，还处于发展的初期，因此，具有很好的发展前景，特别是在提高其能量密度这一块。)5 电气储能系统总结从分析和仿真的结果来看，用电池/超级电容器来驱动列车的方案是可以通过当前技术水平实现的。这个观点从本质上来讲是保守的，并且不依赖于任何突破性的技术革新。然而其经济成本（针对任何系统）将是可观的。这是因为系统的固有制造成本以及现有技术条件下有限的使用寿命。实现这些系统将会需要大量的研究和开发。这些研究不会只针对电化学部分，还将涉及到新型动力电子系统、冷却系统和控制系统的开发。本研究中所进行的分析是比较
31、浅显的。特别是针对功率/能量转换的交互和效率这方面，还需要进行一个更加具体的分析才能验证该结论的正确性。尽管如此，分析中的大量数据结论以及在此基础上构建的可应用系统仍被认为是基于现有能量和动力储能技术的最佳方案。两种可能的系统概述如下： 首先是基于对现有技术的最佳预计，而得到的一个近期解决方案（采用锂离子电池系统）。反映在系统尺寸上， 该电池系统重约2吨，占地约1.1立方米。 另外，文中也提供了一个中期解决方案（采用金属-空气燃料电池系统）。这一方案很好的克服了以上近期方案中在成本和使用寿命方面存在的一些固有问题，并提供了一个较低重量和体积的系统。该系统重约1吨，占地约0.7立方米。储能系统的
32、发展方向和前景使得对系统长期解决方案的预测变得不太可能。同时，在如此长的时间跨度里，超高能量电容器技术能够达到的性能水平也是无法预测的。同样，相关领域相对较小的技术革新也是有可能的。我们应该记住的是，即便每月都会有一些技术上的“突破”发生，所有系统的基本电化学局限性在半个世纪甚至更久以前就为人熟知了，例如燃料电池技术最早在1838年就被人提出了。6 对该研究结果的引申（在这一章中，作者主要是对之前提到的两个解决方案的成本进行了分析和估计。基于英国国内的现有物价2010年，电池驱动列车的运营成本要远远大于传统柴油列车。即便是在未来，文中所预测的技术突破如期而至的前提下，其运营成本也只能和传统柴油列车基本持平。）