為了降低鐵道車輛能耗及對(duì)環(huán)境的影響，日本一直致力于開(kāi)發(fā)由電池提供能源的牽引系統(tǒng)。

     2001年，日本日立公司與東日本鐵路公司合作，研究在非電氣化區(qū)段運(yùn)行車輛技術(shù)。

     日立研發(fā)的混合牽引系統(tǒng)，將柴油發(fā)電機(jī)與電池結(jié)合在一起，于2007年投入商業(yè)運(yùn)行，命名為KiHa E200。

      高功率密度電池模塊是為混合動(dòng)力車輛開(kāi)發(fā)的，采用體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的模塊設(shè)計(jì)，適合車載，每列混合動(dòng)力列車共裝備16個(gè)電池模塊，回收再生能量。

      高能量密度電池模塊存儲(chǔ)能量大，可保證恒定的充電/放電輸出性能。每列電池供電列車中有兩輛車接觸網(wǎng)充電，列車共裝備216個(gè)電池模塊，以保證穩(wěn)定的列車運(yùn)行距離。

一
 

     快速充電和放電的高功率密度電池，是回收制動(dòng)再生能量的關(guān)鍵，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)怠速停車與啟動(dòng)性能的關(guān)鍵。

       對(duì)于要求配備發(fā)電機(jī)輸出的設(shè)備，如燃料電池系統(tǒng)，另一個(gè)方法是配置動(dòng)力系統(tǒng)，以控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，依靠高能量密度電池提供動(dòng)力。

       2011年，日立與九州鐵路首次共同開(kāi)發(fā)試驗(yàn)了列車后，列車裝備了上述提到的動(dòng)力系統(tǒng)，并于2016年10月投入運(yùn)行。這是日本第一列通過(guò)AC接觸網(wǎng)充電的電池供電列車。

       此列車在幾十公里長(zhǎng)的地方線路多個(gè)區(qū)段上運(yùn)行，由此證明，該系列車可以在沒(méi)有接觸網(wǎng)的條件下連續(xù)運(yùn)行，具備高能量密度電池性能，在全球相同條件線路上有著廣泛的應(yīng)用前景。

       2006年以來(lái)，日立一直致力于城市列車再生能量回收系統(tǒng)的研發(fā)。列車使用的牽引系統(tǒng)利用高功率密度電池的快速充電/放電性能，在非電氣化區(qū)段實(shí)現(xiàn)再生能量回收，提供接觸網(wǎng)能量緩沖功能。

       為了給車輛提供高容量電池供電系統(tǒng)，日立與日本九州鐵路公司合作，共同開(kāi)發(fā)了一種電池供電列車，通過(guò)AC接觸網(wǎng)為電池充電，使列車能夠在電氣化區(qū)段與非電氣化區(qū)段之間運(yùn)行。

       此列車不需要發(fā)動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)的柴油車相比，其牽引系統(tǒng)不僅能耗低、維修少，噪聲也小，提高了旅客的乘坐舒適度，還改善了周邊居民的生活環(huán)境。

       主電路裝備有動(dòng)力電池及輔助電源，與主變流器的中間直流環(huán)節(jié)連接。當(dāng)列車低速通過(guò)電氣化區(qū)段中性段時(shí)，由于接觸網(wǎng)瞬間電源中斷，傳統(tǒng)的AC列車可能需要關(guān)閉輔助設(shè)備。

圖1. AC接觸網(wǎng)充電電池牽引列車的牽引供電系統(tǒng)配置

       電池供電系統(tǒng)可通過(guò)電池獲取電能，驅(qū)動(dòng)輔助電源，從而保證輔助設(shè)備的不間斷工作。

       考慮到車輛的正常運(yùn)行，使用從接觸網(wǎng)獲取的電能實(shí)施在電氣化區(qū)段的加速，與傳統(tǒng)的AC列車相同。

       蓄電池由電制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量充電，當(dāng)列車滑行或靜止時(shí)，由接觸網(wǎng)提供充電能量，如圖2。

圖2. 電氣化區(qū)段能量鏈

       電池在電氣化區(qū)段充電得到的電能，可以為列車在非電氣化區(qū)段供電。
 

 二

       高能量密度電池模塊由串聯(lián)在一起的72節(jié)電池組成，儲(chǔ)能約為120kW·h，共使用三組，總電量為360kW·h。

       使用大容量電池，可保證列車在不充電的情況下，在非電氣化區(qū)段運(yùn)行30km及以上。

      鋰離子電池通常在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部電阻的升高，輸出性能也會(huì)相應(yīng)下降。而這種系統(tǒng)使用的電池模塊，在-20℃的條件下，極大地減少了輸出性能的下降。

       可以對(duì)不同類型的混合動(dòng)力列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行比較，如圖3。

圖3. 混合動(dòng)力列車運(yùn)行狀態(tài)比較

       對(duì)于快運(yùn)服務(wù)，HB-E210系列車的平均停站間距與既有混合動(dòng)力列車KiHa E200相似。對(duì)于特快運(yùn)輸，HB-E210系列車的平均停站間距與HB-E300相似。

       但HB-E210額定速度較高，為保證設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)加減速的高性能，系統(tǒng)冗余非常重要。普通的混合動(dòng)力列車為保證冗余，配備了兩套動(dòng)力電池。

       HB-E210系列車通過(guò)增加應(yīng)急儲(chǔ)能電池，提高了冗余性，當(dāng)動(dòng)力電池不可用時(shí)，由應(yīng)急儲(chǔ)能電池啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，HB-E210以電力機(jī)車模式運(yùn)行。

       傳統(tǒng)的變流器驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)是利用動(dòng)力電池的電能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，HB-E210系列車使用內(nèi)燃電動(dòng)車組系統(tǒng)連續(xù)工作，而不使用動(dòng)力電池。

圖4. HB-E210系列車牽引系統(tǒng)配置

      除動(dòng)力電池外，HB-E210系列車系統(tǒng)還裝備了應(yīng)急儲(chǔ)能電池，僅用來(lái)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，當(dāng)動(dòng)力電池不可用時(shí)，實(shí)施啟動(dòng)和發(fā)電控制。

      應(yīng)急電池使用的模塊與動(dòng)力電池相同，可以互換。電池模塊將兩組電池串聯(lián)（額定電量：340 V，1．9 kW·h），提供啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需電能。