电池动力列车用电池作为列车储能及动力系统可行研究报告

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1、Battery-PoweredTrainsFeasibilityStudyforBatteryEnergyStorageandPropulsiononTrains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的影响33.5电池

2、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1～4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(1

3、0,000Wh/l)，并且特定的可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200～400W/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

4、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Class150列车作为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=375KW40=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

5、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率上的需求，但可能无法满足其能量上的需求。1.1.1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

6、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。（300～600V对上750～1500V）1.1.1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

7、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。1.1.2功率-能量-寿命的权衡一个电化学系统所产生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

8、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