动车组材料和新能源发展态势分析

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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-全文完-