动车组材料和新能源发展态势分析

动车组材料和新能源发展态势分析

刘湘坤

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京102600

摘要：当前,轨道交通产品和技术正随着全球科学技术的发展而发生深刻的变化,“绿色、智能、安全”成为轨道交通领域技术发展的主要特征,高速化、智能化、轻量化、节能环保、安全、互联互通等已成为未来轨道交通装备的发展方向。本文分析的动车组材料和新能源方面的技术发展态势,可为行业的相关技术研究和产品研制提供参考和借鉴。

关键词：动车组材料；新能源；发展态势

1材料

1.1碳纤维复合材料

研究和分析复合材料的使用和失效机理，促进其在结构承载件中的应用，对提高动车组产品的性能具有重要意义。目前，碳纤维复合材料广泛应用于车身轻量化。

碳纤维是一种含碳量超过90%的纤维材料。碳纤维与树脂复合，具有强度高、重量轻的特点。它被认为是未来轻质结构材料的首选。目前，它广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车轻量化等领域。宝马i3和i8车型采用碳纤维复合材料车身，减轻了30%的车辆重量，实现了更好的燃油经济性。

碳纤维复合材料结构本身具有良好的高阻尼特性和高消声性能，可大大提高列车的抗振性能和声学性能；具有良好的抗疲劳、耐腐蚀和抗老化性能，可提高列车的使用寿命和红色。UCE维护成本；良好的保温性能，能有效降低能耗，降低运行成本；工艺性和可设计性。好的，结合集成化、模块化设计，可以减少车身零部件的数量，更好地提高零部件的集成度。碳纤维增强复合材料（CFRP）不仅可以节省牵引力，而且可以减少高速对机车车辆结构的损伤。这是未来动车组发展的主要趋势。

碳纤维在车身及其他零部件中的应用正在世界各地进行研究。开发了福特碳纤维车钩体、川崎碳纤维转向架等碳纤维产品。同时，还使用了有关车身、制动盘和碳纤维刹车片的报告。目前，碳纤维已应用于高速列车车头箱、设备客舱地板、导流罩、内部安装等，所有碳纤维地铁车体均已研制成功。

根据动车组的设计特点和安全要求，碳纤维的应用应遵循从非承重部件到二次承重部件再到主要承重部件的应用路径。提出了碳纤维在动车组车身上的应用技术，重点研究了复合材料结构件的设计、快速成型技术、复合材料失效和循环利用，为碳纤维复合材料的广泛应用奠定了基础。在EMU和其他产品中。

1.2铝合金复合材料

铝合金复合材料因其高的比刚度、强度和弹性模量，以及良好的抗疲劳、耐磨性和耐高温性能，在航空、航天、汽车、船舶、轨道交通等装备领域得到了广泛的应用。并在特定条件下成为首选材料。颗粒增强铝合金复合材料由于其原料成本低、制备工艺简单、性能稳定等特点，最有可能应用于大型工业。目前，它们已在国外小批量生产。

目前，铝合金复合材料已应用于动车组车体、转向架和制动系统的关键部位。铝基复合制动盘能显著减轻车辆弹簧下的重量，提高列车的动态性能，降低制动盘的表面温度，提高车辆的运行安全性。

2新能源

2.1燃料电池

燃料电池是一种将燃料中的化学能转化为电能的装置,已经在能源、交通等领域得到应用,特别是在汽车领域应用空前迅速,如丰田的Mirai和本田的Clarity。同时燃料电池技术在叉车、静态发电、家用热电联供、军事等领域也进入规模化应用阶段,如PlugPower公司在叉车领域的应用以及UTC公司在大巴领域的应用。在轨道交通领域,阿尔斯通公司于2016年9月发布了CoradiaLINT型采用燃料电池动力的多节编组客运列车,2018年9月该列车已在德国下萨克森州商业运营。西门子和Ballard电力系统公司正在为Mireo列车开发燃料电池系统,预计2021年投入运行。我国已经攻克了燃料电池动力系统的关键技术难点,形成了燃料电池系统关键零部件的配套研发体系。国内轨道交通用燃料电池技术采用了国际同行同等技术水平的关键零部件和技术路线,并成功实现了基于燃料电池动力的轨道列车的研发和示范应用。中国中车的四方股份公司与唐山公司已成功研制出氢能源车辆产品。

但是在燃料电池各项技术取得突破的同时,仍然存在很多问题亟待解决,燃料电池的寿命、成本、性能等方面还需要进一步优化,比如:燃料电池系统开发成本过高、催化剂昂贵、极板扩散加工工艺技术难度高等问题都需要研究解决。

2.2锂离子电池

锂离子电池是一种采用化学手段实现电能存储的电源。锂离子电池在实际应用中具有以下优点:能量存储方面,表现为能量密度高、容量大;可用性方面,工作温度范围宽、工作电压高、工作安全平稳、没有记忆效应;环境友好性方面,存储寿命长、可循环使用。缺点是电池受温度影响明显,温度过低会导致容量和功率急剧下降,温度过高易导致热失控,在极端情况下还可能导致电气火灾。锂离子电池在电动汽车、电力、光伏储能等领域得到了广泛应用。目前,商用锂离子电池主要分为磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料三类。为了明确不同电池的适用范围和评价标准,国内外相继推出了锂离子动力电池相关标准:IEC62660系列、ISO12405系列、SAEJ2929系列、VDA系列、UL2580系列及GB/T系列等。

锂离子电池的负极材料对锂离子电池的能量密集性能、比功率特性和安全性能有很大的影响。复合材料是锂离子电池的主要发展方向。石墨碳材料在工业锂离子电池中广泛用作正极材料，但比容量比很低。石墨烯材料的应用或添加可以改善目前阳极材料或阴极材料的问题。石墨烯电池的商业应用将扩大运输产品的范围。

为了减少柴油机排放，实现减排，或实现跨线运输，混合动力机车或列车的发展已逐渐受到关注。阿尔斯通、西门子、庞巴迪等公司已开展相关产品的研发，如阿尔斯通开发的Regiolis混合动力车，计划于2021年投入商业运营。中国中车在混合动力电力机车或电动车组的产品开发中推出了多种产品。

2.3超级电容器

超级电容器又称电化学电容器，是一种介于二次电池和传统电容器之间的新型储能装置。它具有二次电池能量密度高，常规电容功率密度高的优点。此外，它还具有以下优点：1）循环寿命长；2）充电速度快，功率大；3）绿色环保；4）低温；工作良好。目前，超级电容器的商业化生产已在国内外实现，并已成功应用于电动汽车、风电、太阳能、军工、智能电网、工业UPS等领域。工程应用也已开始在电力、石油、航运、航空航天等领域。

超级电容器以其储能快的特点，在短期和大功率应用中具有技术和经济优势，已应用于轨道交通新有轨电车的储能。超级电容器作为储能元件，可以实现能源的高效利用和循环利用，实现绿色节能的目标。

超级电容器的能量密度一般为30Wh/kg。据外媒报道，2018年，英国两所大学的研究人员发现了一种新材料，可以将电容器的充电时间缩短到10分钟以下，将能量密度提高到180Wh/kg。

目前，对超级电容器和锂离子电池复合供电系统的研究，不仅能满足汽车启动、加速和爬升的高功率要求，而且能延长充电电池的循环寿命，实现电力系统性能的优化。Rmance公司。

随着技术升级的加快，超级电容器有望实现更高的体积能量密度、更强的工作环境适应性和更长的使用寿命。2018年，超级电容器研究被列为国家重点支持项目。超级电容器被选为中国新兴产业的关键产品。这将为超级电容器行业的发展带来宝贵的机遇。

结论

从材料和新能源/储能方式两个方面介绍了电动车组技术的主要发展方向。从材料方面介绍了碳纤维复合材料、铝合金、镁合金、钛合金等材料的应用现状和发展趋势。在新能源/储能模式方面，介绍了燃料电池、锂离子电池、超级电容器等新能源或储能模式的应用现状和发展趋势。随着新技术的出现，动车组将进一步提高其在高速、智能、轻量化、节能、环保、安全、互联等方面的性能。

参考文献：

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