能否用电池为货运机车提供动力？

对零排放(ZE)基础设施的追求仍在继续，尤其是在加利福尼亚州。怎么说呢？去年4月，加州空气资源委员会批准了一项法规，要求铁路公司用ZE机车取代柴油电力机车。这些机车的使用寿命通常为40年或更长，但该法规将禁止那些机龄为23年或更长的机车在2029年之后在该州运行。客运机车的时间表将更加紧凑，2030年或之后制造的机车必须以ZE模式运行。

到2035年，用于长途货运列车(称为1类铁路线)的新机车发动机也必须采用ZE模式。铁路公司在跨越州界时通常不会切换机车，因此加州的规定意味着将覆盖全美国范围内的火车。

由于美国铁路运营的所有方面都受联邦政府的控制，因此加州是否有合法权利以这种方式监管货运铁路尚不清楚。这个问题留给法律专家、法院和政客们去争论吧。我们来看看技术问题。

典型的“公路”机车配备一台额定功率为2,000至4,500马力的柴油发动机，驱动车载发电机，进而为轮组的牵引电机提供动力。(题外话：这种动力由IGBT控制，现在还增加了优化性能的复杂算法)。从二十世纪四五十年代开始，柴油电力机车(通常在谈话中简称为“柴油机车”)取代了蒸汽机车，因为它们的购买、运行和维护成本更低，随着机车功率的增加，优势也显著增加。

推动机车采用ZE似乎是在追逐一个小罪犯，而附近还有更大、更恶劣的罪犯。根据美国环境保护署发布的“Fast Facts on Transportation Greenhouse Gas Emissions”(交通运输温室气体排放概况)，整个交通运输业的温室气体排放量占总排放量的29%，而铁路只占其中的2%，这意味着铁路的温室气体排放量不到总排放量的0.6%(图1)。

图1：所有交通运输方式的温室气体排放量占总排放量的很大一部分，但铁路只占其中很小的一部分。(来源：美国国家环境保护局)

此外，从每吨英里消耗的燃料和其他指标来看，铁路是迄今为止最有效的货运方式，平均每加仑燃料可运送一吨货物近500英里。一般来说，铁路比卡车省油3到4倍，一列货运列车可以取代数百辆卡车。

如何使用全电力来实现加州的零排放目标？一个显而易见的方法是在州边界停止火车，改用ZE机车。这当然是可行的，前提是这样的机车确实存在，但这样做在运输时间、劳动力、事故风险和货运延误方面的成本将是巨大的，这还不包括新机车的成本(现代柴油电力机组的有效寿命为30到40年)。

另外两种方法是使用架空接触网供电或使用类似电动汽车的车载电池。支持前一种技术的理由是，我们知道这种技术是可行的，正如欧洲所展示的那样，那里约75%的轨道都是通过这种方式实现电气化的(许多其他部分也使用了悬链线供电)。

在美国，这种方法有两种反驳意见。首先，在欧洲，单个货运车厢及其列车要轻得多、短得多，每列列车的载重量也要少得多。此外，欧洲的货运铁路距离也比美国短得多，美国的货运铁路网络长达近14万英里。欧洲的接触网供电系统对这些客运列车很有效，因为它们比货运列车轻得多，但载重能力却低得多。

美国货运轨道电气化的成本是多少？估计几乎没有意义，因为你必须考虑到测量和工程、土地征用、法律挑战、变电站及其占地面积、新机车的成本以及其他许多因素，但毫无疑问，这需要数千亿美元，而且需要几十年的时间。

也许更好的办法是用电池和适当的电源转换和电机控制装置取代柴油电力传动系统的油箱和发电机部分。不可否认的现实是，即使假定牵引性能相当，这种布置的载重能力和续航能力也远远低于柴油发电机组。一些多发动机机组列车拉着多达100节满载的车厢，不间断地高速行驶数百英里。每行驶50到100英里就要停下来，在巨大的充电站为大容量电池充电，或者更换重达数千磅的电池组，这可不是一件小事，而且会大大增加运行的复杂性和运输时间。

尽管存在这些明显的局限性，但人们仍在努力实现自给式车载电池供电。2023年10月，主要机车制造商Wabtec(前身为西屋空气制动公司，于2019年收购了通用电气的机车业务)推出了FLXdrive电池机车，这是世界上第一台100%由电池供电的重载干线机车，车载能源容量为7MWh(图2)。第一台，也是迄今为止唯一一台投入使用的机车正在澳大利亚接受Roy Hill公司(一家领先的铁矿石开采公司)的测试，测试路线为从矿山到港口设施，全程344公里(214英里)——详见“Wabtec and Roy Hill Unveil the First FLXdrive Battery Locomotive”(Wabtec和Roy Hill推出首台FLXdrive电池机车)一文。

图2：这种电池驱动的全尺寸机车自带7MWh电池，正在澳大利亚的一条有限、明确的路线上进行现场测试。(来源：西屋制动公司)

研究人员还在研究带有外部电源组的电池供电列车。美国加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的一个研究小组最近在Nature Energy(自然能源)发表了一篇论文——“Economic, environmental and grid-resilience benefits of converting diesel trains to battery-electric”(将柴油列车改装成电池电动列车的经济、环境和电网韧性效益)，对这些柴油电力机车的全面电气化提出了详细的建议和分析。

他们的方案是在机车后面放置一辆动力车，车上装有电池，并与牵引电机动力子系统相连，以取代柴油发动机和交流发电机(可作为备用)。这种动力车可以是定制设计的补给车，也可以是装有大型电池模块的平板车，可以吊上/吊下进行更换，当然也可以简化电池的更换(图3)。他们的结论是，这种方案在很多方面都非常有吸引力，但请记住，他们必须做出许多乐观和最佳情况的假设，才能达到目的。

图3：从操作和补给的角度来看，拉动单独的电池组平板车可能比将其纳入机车的动力部分更好。(来源：SciTechDaily/美国劳伦斯伯克利国家实验室)

也许使用充电电池的整个想法都是短视的。非电池替代品，如氢电池和燃料电池(也被吹捧为汽车的解决方案)，可能是更好的长期选择。它们的能量密度和续航能力都比电池高，而加燃料时间则与柴油车相当。然而，氢气仍然存在许多众所周知的重大问题，因为提取氢气需要能源，而大规模运输、部署和使用氢气的基础设施则需要在多个领域取得重大进展。

除了合法性之外，您如何看待加州ZE铁路授权提案的实用性？是否有办法在可接受的成本、干扰和时间范围内实现这一目标？还有一个终极问题：ZE所带来的收益是否值得付出这么多代价？

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Can Batteries Power Freight Locomotives?，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。