电池动力牵引电力机车动力总成

（招投标配套推介项目简介）

一、国内外发展现状与趋势

面对能源枯竭危机世界各国已经开始了对新能源列车的开发。电池牵引电力机车利用电池作为柴油的替代能源有助于减缓温室效应、提高能源利用率，削减列车运行能耗。

从2000年起，东日本铁路公司研发中心一直致力于新能源列车的开发。该公司自2003年起进行柴油机混合式列车的开发，确立了实用化目标；2006年开始实施NE列车的第2步计划，即世界首创的燃料电池混合式铁道列车的开发。北美BNSF铁路公司在2007年提出一种大型新能源站场调车机车的开发计划。该车能够减少温室气体的排放、提高铁路运输系统的能量安全性，主要用于军事、灾难等紧急情况的发生。

然而，纯电驱动电力机车至今少有国家涉足，这与目前在国际上被称为动力锂离子电池的电池管理系统技术不够成熟直接关系。国内对新能源电池机车的研发迄今还没有引起足够的重视，相关的科学研究工作也刚起步。作为一种高效、环保、节能的新型列车，电池动力牵引动力机车将极大地促进轨道交通系统的重大改革和发展，是一种具有巨大潜力的新型轨道交通工具，非常有必要高度重视和大力扶持。

二、预期目标

1、            总体目标

(1)开发出能兼容多种轨道环境的电池动力牵引电力机车动力总成。

(2)动力总成主要技术指标：

电池容量：1000Ah

蓄电池组电压：1500V

电池重量：安装总重20吨

最高水平车速：120km/h

充电方式：以浮充为主

一次充电续行里程：30km

(3)动力总成性能满足以下标准：

GB/T 3317-82 电力机车通用技术条件

GB/T 3318-82 电力机车组装后的检查与试验规则

(4)形成10000套年生产能力。

2、技术指标

(1)机车最高车速120km/h,续行里程30km，电池组质保5年左右。

(2)电池组电压1500V，容量1000Ah。

(3)设有电池箱紧急断电开关，在紧急情况时或者停止使用机车时断开电池箱与其它电气系统的连接，尽量减少元器件处于高压带电状态。

(4)工作温度：-30℃—60℃

(5)监测每节单体电池防止过充、过放、过热和过流并报警；监测每节单体电池内阻变化可实现更合理的预警报警

(6)具有主动均衡控制功能，显著提高各单体电池的动态一致性

(7)标准CAN数据通信接口，使电机控制器、充电器以及中控系统间进行标准协议通信和数据交换。

三、主要研究内容

1、动力锂离子电池电力机车驱动系统结构设计技术研究。

2、高功率密度大容量动力锂离子电池动态特性研究。

3、高效率的动力锂离子电池组电池管理系统设计技术研究。

4、电力机车牵引用动力锂离子电池组充电装置设计技术研究。

5、研究动力锂离子电池动力牵引电力机车动力总成匹配技术。

四、创新点

1、全新的电力机车供电方式，电池动力牵引电力机车无需电力接触网及传统的发电输电系统建设，完全采用锂电池随车供电。

2、改造成本低，其线路条件与非电气化线路完全兼容，可在任何既有铁路线上运行。受气候条件的影响小，尤其在军事、灾难等紧急情况时，具有快速、高效的应急作用。不需要传统的牵引供变电系统和接触网系统，避免了牵引供电系统和弓网故障引起的事故，提高了列车运行的可靠性。减少了牵引供电系统及弓网的投资，并可减小隧道截面，大大降低工程造价。

3、一种全新的动力锂离子电池单体新结构，兼顾寿命、安全、热平衡以及动力性，一种完全基于国产材料和工艺设备条件的更低成本单体电池结构策略。初步测试结果非常满意。拟进一步加大结构创新力度，进一步改变热分布特性，同时兼顾正极材料的回收率。

4、一种大均衡动态一致性概念，模块与系统几乎完美融合，模块化低压脱离机制解决了碰撞安全性问题，灵活分散布局给整车系统提供高可靠的结构设计。在核心专利技术基础上，进一步细化各单体电池动态一致性控制能力，找出协同作用下个别电池被动充放电负面影响，使主动均衡效果更加完善。增加设备快速质检的自动化功能，提高大容量单体电池的成品率和一致性。

5、整车控制器自带数据存储功能，使整车在各种工况试验时的表现都能详细记录并自动采集，参数调整和设置也十分便利。能够实现在较大振动和较大温度变化下的可靠控制。当传感器检测到机车运行在不正常或不安全状态下，整车控制器会控制电池减小输出功率，危急时会进行关机操作。

五、技术难点

1、大功率驱动电机研究与开发：使驱动电机具有宽调速范围，高转速，大启动扭矩，同时具有效率高等性能，能满足电力机车驱动系统的要求。必须设计一个失效安全系统，防止高功率部件出错，如电动机产生错误运转，从而避免出现危险状况。

2、高功率密度大容量锂电池动态特性研究及封装连接技术：电池组容量需达到1000Ah。寻求最佳的电池内部封装结构，提高电池功率密度。电池组防短路、防拉弧、防挤压封装及连接设计。铁路机车车辆用蓄电池的基本要求是重量轻，体积小，输出功率高，增强可耐机车车辆的振动及冲击。安装，运用及维护操作容易，工作性能稳定可靠，利于启动及加速度灵活。燃料供应及耐用寿命有保证，造价低。

3、高效率的锂电池组电池管理系统设计技术研究：具有实时监测，漏电保护，高效的电池组一致性管理功能，准确的电量计量功能。能量、热、电一体化管理。

4、电池动力牵引电力机车动力总成匹配技术：电池箱布置需考虑整车配重及防撞击等问题。在设计时必须采取措施提高机车的系统运行效率，同时降低整车质量。

5、智能化整车管理系统研发：建立包括蓄电池在内的动力总成的数学模型，开发以微处理器为核心的电子控制单元。

6、用实际高强度整车工况试验验证动力总成各项技术参数指标特性，建立客观实用可操作性强的评价规范。

7、电力机车牵引用锂电池组充电装置设计：要求充电装置具有高安全性、便利性。

六、课题组织分工

2、敬业科技独立设计电池管理系统、制作串联电池组综合参数分析检测设备，验证主动均衡效果，并细致调整出最佳参数配置。

3、大容量动力锂离子电池制造商按照敬业科技提出的结构要求生产单体电池，包括封装方式、极耳尺寸规格，以及材料的特殊配比。

4、大功率电机生产企业负责驱动电机及电机控制器设计，包括整车电驱动部分的实体及结构设计。

5、整流器等关键器件生产企业负责相应配件生产。

4、动力总成必须通过环境测试，箱体结构自行设计，充分考虑到各种工况因素，进行大量的模拟试验，包括振动、高低温、盐雾试验等。

5、设计实际车组，进行实车考验，根据各种工况要求，实测动力总成的各项参数指标变化，不断进行修正和调整，达到实用化目标。

6、建设制造全部的PACK工装设备、质检设备，总结设立高速有效质检规范，提高生产率，降低生产成本，提供配套维护保养充电设备。

七、技术路线

1、电池动力牵引电力机车动力总成主要由动力锂离子电池组、BMS电池管理系统、驱动电机和电机控制器构成。改装后的电力机车保留了原车型的部分传动系统。电机驱动系统和动力电池系统基于CAN网络结构和在控制系统的协调控制下实现整车驱动及能源合理分配等功能。

2、车电分离结构，动力电池组可以从车体中十分安全可靠地提取出来，便于电池组充电及维护保养，提高整车安全性。

3、标准化大容量锂电池模块由单体电池串联构成，串联后电压可达1500V，容量为1000Ah。

4、特殊的电池箱设计、电池空间布置和安装方式，电池组专用支架六面固定，密封防水。

5、内置BMS系统控制板，带有主动均衡电源集成，独立采取电磁屏蔽措施。准确显示电池组剩余电量、实现温度控制等功能。

6、高功率密度电驱动系统，电机调速范围宽，转矩响应迅速，效率高。

7、电气接口与通信接口分离，电气接口可直接串联，通信接口带有CAN总线协议和辅助电源线。

八、可行性分析

目前国家新建的电气化铁路建线成本高，沿线需建立受电弓等附属设施，高压辐射严重，受环境影响较大，需要做防雷、防水设计等，经济效益较低。城市地铁建设造价高，每公里成本可达数亿元，且受地理环境制约。轻轨建设成本稍低，但沿线需建高压封闭隔离设施，其建设成本仍偏高。磁悬浮列车一次性造价高，沿线建设需大量的稀土资源，资源依赖性严重。

电池驱动电力机车只需在既有铁路线上改造既有车厢，蓄电池供电效率高，可以实现铁路机车车辆自载电源的电力机车化。改造成本低，不需要沿线建设电力接触网，输电线路，发电系统工程而节约大量投资。可参考地铁运营模式，运营成本低。

电池驱动在电力机车上应用较少的重要原因之一是电池管理技术不过关，无法满足数百节电池串联使用的安全性。由电源工业行业协会组织的电动车动力总成联盟生产的BMS运用主动均衡功能，可以在不浪费电能的前提下动态一致各单体电池工作电压值，是目前所有有效均衡方法中实现成本最低的技术方案，在电池管理系统产品的研发上已经取得了阶段性成果。已经经过试验验证和实际样车的考验。在此基础上实现本项目提出的创新点和技术目标是可行的。

九、市场前景

当前，城市化趋势明显，城乡间交通流动大幅增加，城乡短途铁路运力需求大增，短途既有线改造占铁路建设的大部分，然而传统的电气化铁路改造成本极高，经济效益低。希望通过在既有线既有车厢内安装电池牵引驱动系统，使新能源电力机车在轨道交通行业无障碍推广。

我们与国内相关企业一道，共同推出电池动力牵引电力机车动力总成，解决阻碍电池驱动机车发展的电池管理瓶颈。后续将进一步过渡到车厢改装设计。我们的设计宗旨就是一定是低成本、安全的电力机车，其核心技术之一就是我们生产的电池动力牵引电力机车动力总成。

项目成功实施后，将形成年产1万套的规模，将为公司增加销售收入300亿。将为公司带来可观的经济效益，大力助推电源行业产业的发展。由于此项目国内少有涉足，市场空间巨大，可达上万亿的产业规模。

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联系人：孙京伟

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