瓦伯泰克FLXdrive机车
重新定义铁路行业
火车长期以来都与油污和灰尘联系在一起，但瓦伯泰克的电池电力解决方案能否彻底改变铁路行业？格雷将为您报道
铁路在全世界货物与人员的运输中发挥着至关重要的作用。全球货运总量中有7%由铁路承担——而在仅限陆路运输的范围内这一比例更是高达近40%；同时，铁路每年也为数十亿乘客提供重要的出行通道。然而，尽管铁路是一种极为节能的运输方式，但其漫长的距离和巨大的载重也使得为其供电变得极其困难。
柴油电力列车长期以来一直是铁路上主要的运力承担者，尽管在某些线路上已由架空电缆供电的电力列车取而代之，但由于相关基础设施成本高昂，要在更长的距离上实现电气化极为困难。因此，英国超过60%的铁路网络仍未实现电气化；而在2024年通过铁路运输的货物量达517.5亿吨的中国，约有25%的铁路网络仍未电气化。美国的依赖程度更高，其运营着28,000台柴油电力机车，还有124,000英里的美国一级铁路线在大量使用中。
传统的柴油电力机车依靠燃烧化石燃料的发动机发电，再为直驱电机提供动力。根据国际能源署的数据，这类机车是铁路每年2.5亿吨二氧化碳排放量的主要来源。然而至今仍没有其他解决方案能够提供与其相媲美的动力与性能。
瓦伯泰克（西屋空气制动技术公司）长期以来一直是柴油电力机车研发领域的全球领导者，不断探索提升其效率的新方法。2001年，他们为部分机车引入了再生制动技术——从而创造了世界上第一台电池-柴油电力混合动力机车；在接下来的25年里，他们将这一初步概念进一步发展成了全球首台100%电池驱动的重载机车FLXdrive。
如果这听起来像是漫长的开发时间，那是因为——和大多数电气化挑战一样——只有当所有相关要素都协调一致后才能实现。吉姆·邦斯花了七年时间领导电池组及管理系统的开发工作，如今担任系统工程技术主管。他解释道：“我们的目标是设计出一种电池电动汽车，使其具备与传统柴油电力机车相同的动力性能——而我们现在已经实现了这一目标。”
“柴油电力驱动系统与FLXdrive系统的牵引及推进装置几乎相同，因此其输出功率均为4500马力。电池电力驱动系统无法单独运行并达到柴油电力机车那样的行驶里程，但与其他车辆组合使用时，能够在长途运输中显著提升效率。FLXdrive系统具有可扩展性和模块化特点，适用于多种应用场景，包括干线运输、重载运输、货运、场内调车以及混合动力作业。”
可扩展性很重要，因为工作周期至关重要，但目前的电池电力系统还无法实现独立运行。其目标并非在所有情况下都取消柴油发动机，而是在能够带来最大运营与环境优势的场合使用电池动力。例如，在地铁维护环境中工作的机车所面临的问题与长途运输的货运机车截然不同——因此针对不同的应用场景开发了相应的版本。
Switcher非常适合在场地内使用，用于组建列车将货物从一处运送到另一处，由于这类车辆始终处于充电系统附近，因此通常无需配备太多电池组。而专为大型城市地铁系统的维护工作设计的混合动力版本则保留了柴油发动机，但可在隧道内切换为纯电池驱动模式。其设计容量足以让发动机在可能产生烟雾和排放物、影响工作环境的区域关闭。
对于长途货运机车而言，FLXdrive配备了最大数量的电池组，并被设计为车队的一部分，通过与现有的柴油电力机车协同工作，从而形成高效的混合动力解决方案。“美国的长途货运列车通常长度约为1.5英里，由三到四台机车共同牵引，”邦斯解释道。“我们会用FLXdrive取代其中一台柴油电力机车，这样这些机车就能作为混合动力编组一起协同工作。长途行驶仍由柴油电力机车提供动力，而电池电力系统则提升了燃油效率。”
验证这一概念
FLXdrive设计的第一个原型机于2021年推出进行测试。该机车配备了18,000节风冷锂离子电池单元，总储能量为2.4兆瓦时，重量达430,000磅。其研发重点在于实现更长的行驶距离，因此并未在测试轨道上做循环试验，而是与美国最大的铁路公司BNSF Railway合作，在实际道路环境中进行了测试。
在加利福尼亚州圣华金谷进行的为期三个月的试验中——该地区四周群山环绕，地形多丘陵，非常适合利用再生制动技术——这台机车与其他柴油电力机车一同组成列车编组，共行驶了13,320英里。它实现了11%的燃料消耗降低（相当于节省了6,200多加仑柴油），二氧化碳排放量也减少了约69吨，不仅证明了初始概念的可行性，同时也指出了一个重要的改进方向。
几年前在澳大利亚推出的第二代产品用于客户演示服务，经过了重大升级：原有的风冷电池系统被水冷设计所取代。水冷方式更高的效率使得电池密度大幅提升，从而使车辆的电池容量增加两倍，达到7兆瓦时。该公司预计，根据行驶路线和客户使用情况，这一改进有望将燃油消耗和排放量降低多达30%。
“在风冷系统中，实际上需要相当大的空间来输送用于冷却电池的空气，”邦斯说道。“而采用液冷系统后，我们就能充分利用机车上的每一寸可用空间。与此同时，这些实地测试对于让客户在其应用场景中评估这项新技术非常重要——帮助他们了解可能存在的维护需求和基础设施要求——同时也有助于我们展示一种安全且实用的系统，该系统不仅能保持良好的性能，还能显著节省燃料并降低排放。”
FLXdrive机车与传统柴油电力机车极为相似，外观外壳和驾驶室布局都相同——只是驾驶员接收的信息来源有很大不同。在驾驶室外，这种差异更为明显：柴油发动机、通常用于将发动机机械能转换为电能的交流发电机以及与柴油装置相关的大型冷却系统均不存在。取而代之的是电池组，以及一套旨在将电池组温度维持在规定工作范围内的热管理系统。
这种差异在驾驶体验上也有体现，发动机产生的振动减少显著提升了车辆内的乘坐品质。邦斯表示：“如果你走进如今柴油电力机车和FLXdrive机车上的司机室，会发现两者基本没什么区别——但柴油发动机的缺失确实对车辆的噪音和振动程度产生了重大影响。”
“机车上最大的振动源之一就是柴油发动机，虽然我们的柴电机车配备了减震装置，使得操作员感觉不到振动，但这种振动依然存在且相当明显。机车的重量很可能是导致铁轨磨损的主要因素，虽然其总重量变化不大，但却会显著影响操作员的乘坐体验。这样驾驶起来舒适多了！”
大规模电气化
在驱动系统方面，FLXdrive采用人们熟悉的交流牵引技术。大多数版本在转向架上配备了六台通用电气GEB13型交流高扭矩牵引电机，每台电机的功率约为1000马力。每根车轴都由一台电机驱动，且每根车轴都通过独立的先进变频液冷逆变器进行控制。这样的设计提升了系统的可靠性，因为某台电机或逆变器出现故障并不一定会影响其他电机的供电。
该电力架构以高压直流母线为核心，系统在1350伏直流电压下正常运行，逆变器系统则将此电力转换为交流电以驱动感应电动机。由于现代汽车平台的标准电压通常在800伏左右，如此高的电压环境意味着开发电池动力机车并非简单地在现有机车平台上加装汽车用电池即可。相反，该公司必须设计专用的电池组，使其能够适配重型货运牵引系统的工作需求。
这是一种规模截然不同的电气化方案。每个电池组大约有加大号床垫那么大——长约64英寸，宽约48英寸，高约10英寸——由于去掉了原有的部件，这些巨大的电池组可以占据机车三分之二的空间。“目前我们的列车上最多可安装72个电池组，”邦斯说道，“也就是说，一辆列车上就相当于配备了72台特斯拉级别的电池组！”
Wabtec在其位于宾夕法尼亚州伊利市的美国工厂内完全自主设计并制造电池组。该公司的电池电芯由第三方供应商提供，能够支持多种类型的电芯化学体系，包括NMC（镍锰钴）、LFP（磷酸铁锂）和LTO（氧化钛锂）。每个电池组包含504节独立的电池电芯，满电时的电压为350伏；这四节电芯组合起来的额定工作电压可达1400伏，略高于所需的1350伏标准。
“我们使用的电池电芯是为汽车应用设计的，因为汽车是单个电池电芯消耗量最大的领域，因此这类电芯也最容易获得，”邦斯说道。“我们选定的这种规格在多家供应商处都有供应，涵盖多种化学成分和不同容量，并且这些供应商都拥有多代产品规划。因此，随着容量和化学成分的改进，我们将会享受到这些变化带来的优势。”
“我们的所有电池都是以串联或并联的形式进行电气连接的，这样我们就可以根据需要隔离各个电池组。我们将所有电能输入到一个公共的直流母线上，随后各个逆变器模块从该直流母线获取能量，从而独立控制每个车轴。电池的规格和数量是根据应用场景来确定的——我们用于重载货运的系统最多可配备72组电池，而较小的Switcher系统则为28组；在某些情况下，我们还会预留空间，以便将来如有提升续航里程的需求时对这些电池单元进行改造。”
独立的轴控功能使每台电机或逆变器系统出现故障时仍具备内置的冗余能力，电力可直接转移到其他电机上，而不会影响机车的运行性能。该功能还能让系统调节各电机之间的转速差，此外每台牵引电机都配有独立的齿轮装置——这些齿轮直接集成在轴端电机组件中，而非位于整个传动系统中——从而最大化牵引力。
庞大的电池系统增加了机车的重量，但与许多其他电动汽车不同——在那些车型中电池重量是工程师们不断努力减轻的不可避免的负担——在这种情况下，这一额外重量反而是优势，因为它有助于提升车轮与铁轨之间的牵引力。柴油电力机车实际上会通过添加道砟来增加重量，而电池系统则意味着在将动力有效传递到铁轨上时所需的道砟量更少，从而在铁轨基础和地面基础设施的限制条件下实现机车重量的最大化。
电池的安全性与性能
鉴于涉及的高电压，操作安全至关重要。在更换电池组或操作逆变器设备之前能够隔离电气系统的部分组件，是设计标准中的重要要求。FLXdrive采用了铁路行业通用的LOTO（“上锁挂牌”）措施，确保在作业期间系统能够被隔离并物理锁定，防止他人重新通电。此外，该系统还通过锁键机制提供额外安全保障，要求维护人员按顺序执行一系列操作，逐步隔离并断开设备连接。
“安全性是这款机车设计时的核心考量，”邦斯解释道。“我们投入了大量时间和精力来评估不同运营场景下的各种使用情况，不仅要了解该车辆如何作为机车发挥作用，还要研究维护人员将如何对设备进行保养、如何更换部件，以及他们将如何与车辆的其他部分协同工作。”
该安全设计还涵盖了针对重轨车辆所面临的恶劣工况的物理防护要求，这类车辆运行速度较快，且容易发生严重事故。Wabtec与各客户直接合作，评估紧急响应场景，将他们对电池技术的了解与运营商对自身铁路环境的认知相结合。Bunce补充道：“我们设计的电池包非常坚固，经过了大量的跌落、冲击和振动测试来验证其可靠性。”
将电池保持在适宜的工作温度是确保安全的重要因素，同时也是实现最佳性能的关键。为在两方面都优化性能，Wabtec投入了大量时间研发专用的冷却系统。Bunce表示：“目前的电池需要大约25摄氏度的标称工作温度环境。我们设计的电池热管理系统通过50%乙二醇与50%水的混合液来为电池加热或降温，使其始终处于该温度范围。”
该系统由Wabtec的子公司开发，原本就是其他交通领域中已有的技术，现已经过改造以便集成到货运机车系统中。电池组直接安装在一个整体式的冷却板上，从而能够为每个电池组独立提供冷却功能。冷却管和通道永远不会与任何电池单元或电气系统接触，确保其完全隔离，而冷却板则将冷却液输送到所有电池单元中。
该系统通常每列配备一个电路，每个电池组都设有断开连接装置，这样无需排空整个机车冷却系统即可将单个电池组分离出来。这使得维护工程师能够轻松地将某个电池组与冷却系统隔离开来，将其取出更换，然后再重新连接冷却管路，使系统恢复运行。
为防止热失控——这是所有大型电池系统中最受关注的风险之一——该团队在电池组层面设计了一种被动式解决方案。Bunce解释道：“机车有大量时间处于待机或关闭状态，而且在很多情况下，这些机车会被运送到世界各地。在这种状态下，它们完全不供电，电池管理系统也不处于工作状态。”
“基于这些原因，我们设计的系统无需依赖电池管理系统即可实现热失控的抑制。气体通过防爆盘排出，然后以受控方式从电池组经烟道流出车外。由于所有部件都位于单个电池组内，因此不会发生电池组之间的蔓延；虽然电池管理系统在运行时能发挥作用并降低该电池组内的风险，但它并非我们热失控抑制策略中的关键安全组件。”
能量管理
电池电力机车能够运行的关键在于其在行驶过程中捕获能量的能力。正因如此，它在长途旅行中作为柴油电力机车的补充使用时表现极为出色。该公司现有的传统柴油电力机车已采用交流牵引方式，通过动态制动使牵引电机产生电能。然而，传统系统只是通过电阻网格和冷却鼓风机将制动能量以热量的形式耗散掉，而电池电力系统则能利用这些能量并将其储存起来，在后续行程中重复使用。
当然，其带来的收益程度取决于FLXdrive机车所执行的特定作业类型。Bunce解释道：“每条线路和每种应用场景都有所不同。由于频繁的启停操作，调车场作业能获得大量的能量回收收益；即便在货运列车运输中，它也能带来显著优势。列车的重量、速度以及下坡的坡度都会影响可储存的能量数量——而这些能量往往相当可观。”
关键不仅在于恢复能量，更在于理解并掌控能量的存储与使用方式及时机。正因如此，再生制动才成为更广泛能源战略的一部分——而铁路的优势在于它始终沿着已知的地形沿固定线路行驶。基于这一特点，Wabtec能够优化线路上的运行效率，并为FLXdrive开发了一套智能能源管理系统，该系统可根据前方情况规划充放电行为，在充分利用再生制动的同时避免过度激进的充电行为。
这款名为FLXoptimizer的先进能源管理与自动化软件系统专为操控FLXdrive而设计。它作为整个列车编组中所有机车的统一控制系统，基于Wabtec经过充分验证的用于柴油列车的Trip Optimizer技术，依托智能的AI驱动巡航控制等标准功能，并进一步扩展该逻辑，以实现對柴油机车与电池机车的混合编组的智能管理。
“能源管理系统大约在2010年开始开发，从那以后一直在不断完善和扩展，”邦斯说道。“FLXdrive机车的工作原理与其他柴油电力机车基本相同——操作人员无需自行决定如何最佳地优化燃料使用或行驶速度，这些工作都由能源管理系统在后台完成——此外，我们现在还以多种方式运用人工智能，进一步优化已取得的成果。”
“我们会与客户共同了解不同的运行环境以及他们可能需要的各种模式，但这一切都通过能源管理系统来处理。在为列车的具体应用场景实施能源管理系统时，我们会逐一规划每条路线——这样在行程开始前，我们就清楚要运输的货物、使用的机车、消耗的能源以及行进方向。”
“我们在常规的柴油电力驱动系统中使用该系统，但当列车配备电池电力机车并能够以混合模式运行时，我们会在列车离开车场之前就制定完整的充放电计划。能源管理解决方案能够了解具体的运行路线，因此会进行相应规划，确保电池既不会过度放电也不会完全充满，从而最大限度地发挥电池的效能。”
除了再生充电功能外，这款电池电力机车还配备了用于静态插电充电的集成解决方案。该标准系统借鉴了汽车行业常用的技术，Bunce进一步表示：“充电需求会因应用场景、运行模式以及客户的基础设施而有所不同，我们会与每位客户合作，为其定制合适的充电方案。”
“通常，在货运列车运输作业中，只要地形条件允许，大部分充电都是通过再生制动系统完成的。但对于混合动力或可转换型机车这类车辆，静态插电充电则非常有用——在班次结束、机车不再使用时，可以将其接上电源在非工作时段充电。这与电动汽车的充电方式非常相似，在某些情况下，我们会借助电动汽车充电服务提供商来提供支持。”
除此之外，该公司还开发了一种专为列车设计的直流快速充电方案，通过固定的受电弓装置从接触网获取电力。目前该系统尚无法用于移动中的充电，但邦斯表示，Wabtec“绝对期望未来能够实现这一功能”。他解释道：“当列车从受电弓下方经过时，我们可以从受电弓系统中获取电力并用于为电池充电，同时为推进系统供电；而一旦离开接触网范围，就会依靠电池继续前进。”
性能匹配
FLXdrive的设计理念是尽可能接近现有柴油电力机械的性能——但这并非简单地将柴油发动机替换为同等容量的电池储能装置即可实现。与柴油电力机车不同，后者需要先加速才能发挥出全部性能，而早期测试表明，电池电力机车响应速度过快，给操作员带来了与传统产品相比意想不到的挑战。
当然，性能与续航里程会因路线不同而有所差异，但我们的目标始终是开发出适用于多种应用场景的解决方案。Bunce解释道：“FLXdrive Switcher的设计可满足整整八小时的运行需求，这是基于客户典型的调车作业要求。而FLXdrive重型机车则需牵引1.5英里甚至更长的列车，因此其续航能力取决于具体的路线、地形及作业条件。”
“通常在多山的路线上，机车会利用动力爬坡，而在下坡时系统则会重新充电。典型的从矿山到港口的运输作业中，机车需要一个方向向上坡行驶，另一个方向向下坡行驶——这样就能充分利用该地形的特点。”
Wabtec在世界各地都有各种类型的订单。Union Pacific即将收到四台用于加利福尼亚州调车作业的FLXdrive Switcher机车，而Canadian National则将收到一台此类机车。在澳大利亚，BHP已在皮尔巴拉矿区使用了多台重载机车，让它们满载从内陆矿山驶向下坡方向的沿海港口，在下坡过程中自动充电。
问题已不再仅仅是电池动力机车能否运行，而是如何为每种具体应用量身定制、配套支持并整合这项技术。FLXdrive 2.0持续推动这一理念的发展，让技术、用户以及相关基础设施能够共同进步。该技术仍处于早期发展阶段，电池容量和能量密度的提升将不断拓展其未来可应用的领域。
然而，铁路网络的全面电气化仍需很长时间才能实现。虽然电池驱动技术非常适合某些应用场景——尤其是调车和场内作业——但其续航限制意味着混合动力系统在可预见的未来仍将具有实用价值。在可持续性备受重视的今天，Bunce认为除了FLXdrive之外，替代燃料也将发挥作用，不应强制在所有铁路网络上采用同一种替代技术，而应提供多种解决方案。
为此，除了研发电池驱动系统外，Wabtec还在探索生物柴油、可再生柴油和天然气等替代燃料及推进技术，目前乙醇和氢能也在评估之中。
“纯电动技术仍属于新兴技术，最终我们需要提供多种产品来满足客户需求，包括替代燃料、混合动力以及电池驱动方案，这些技术都将在未来得到应用，”邦斯说道。“每种应用都有其特定的要求，但确实有一些客户需求非常适合完全依赖纯电动技术的未来。”
目前的FLXdrive机车只是一个开发平台，并非最终定型产品。其电池组采用的是能够从整个电池行业的技术进步中受益的电池结构——更高的容量、更优的充电技术以及更高的能量密度，都有望为未来的机车带来改进。此外，得益于人工智能的持续发展，该机车的控制系统也将不断提升现有能源的利用效率。
显而易见的是，这项技术已经超越了最初关于电池能否为机车提供动力的疑问。如今的工程挑战在于规模、集成度、能源管理，以及为运行此类机械而需要的基础设施建设。FLXdrive为此类挑战提供了多种解决方案：它是一款外观和操作方式都与传统铁路设备相似的机车，但在不同工况下的能源利用方式则有着根本性的不同。
从早期的混合动力试验到面向客户的演示，这一发展历程展现了该系统未来的演进方向。冷却技术已提升了系统的容量；高压架构使得成熟的牵引电机得以应用；再生制动功能现在能够将制动能量转化为储存能量；预测性软件则让固定的铁路线变成了能源分布图；而整个系统在设计时都充分考虑了运行与维护的安全性。
低排放货运铁路的未来不太可能通过某一项突破性的技术变革来实现，更有可能随着电池、软件、充电技术以及替代燃料的同步进步，在不同的线路和应用场景中逐步发展——Bunce总结道：“每条线路和每种应用都有其特定的需求，我们正在逐一评估这些需求，以确定未来的发展前景。”
“电池电力技术仍处于发展与应用的初期阶段。随着电池容量的提升以及能源管理系统的不断改进，我认为车辆的续航能力将会逐步增强。我们一直在研究新的设计和技术，以提升系统的整体效率——而我觉得这仅仅是个开始。”
多用途的得力工具
Wabtec与北美、南美及澳大利亚的各个客户合作，为从本地交通到长途矿业运输等各种特定需求开发电池电力机车。全球铁路上的作业场景各不相同，因此Wabtec为不同需求准备了四种不同的FLXdrive系统基础版本。
这些基础型号均设计为在1435毫米的轨距上运行，但各自经过优化，以适应不同的铁路作业模式——包括调车作业、区域运输、地下运行以及长途重载运输。
这些基础型号基于标准的32吨/轴重重载平台打造，动力通过独立电机输送至最多六个带动力的车轴。再生制动功能可实现关键的能量回收利用，同时配备内置的480伏交流充电系统，还可选择通过机车顶部的充电轨进行直流快速充电。
重载运输
这是最高性能规格，专为干线铁路服务设计。通常会与其他柴油电力机车一同组成列车编组使用。
功率（最大值）：3200千瓦/4360马力
电池容量：7兆瓦时
轴数：6，Co-Co布局
重量：461磅/209吨
尺寸：长宽高分别为76英尺/23.2米、10英尺/3米、15.5英尺/4.7米
最高速度：76英里/小时/123公里/小时
牵引力
- 启动时：最高200磅力/890千牛
- 持续运行时：最高155磅力/690千牛
- 再生制动时：最高98磅力/436千牛
适用场景
这款性能较低的型号专为场内作业以及短距离的本地和区域运输服务设计。
最大功率：1700千瓦/2280马力
电池容量：2.7兆瓦时，充满电需4–7小时
轴数：6，Co-Co布局
重量：417磅/189吨
尺寸：长宽高分别为68英尺/20.7米、10英尺/3米、15.5英尺/4.7米
最高速度：70英里/小时/112公里/小时
牵引力
- 启动时：最高200磅力/890千牛
- 持续运行时：最高155磅力/690千牛
Shunter型
这是目前开发的容量最低的版本，采用适用于中亚铁路作业的不同运行平台设计。
功率（最大值）：700千瓦/940马力
电池容量：1.2兆瓦时
轴数：4轴，Bo-Bo布局
重量：212千磅/96吨
最高速度：70英里/小时/112公里/小时
牵引力
– 启动模式：最高可达83千磅力/370千牛
双模式型
专为欧洲的地下铁路运营而设计，采用电驱动与电池电动混合动力系统。
功率（最大值）：800–1500千瓦/1072–2010马力（仅电池驱动）；3800–5500千瓦/5095–7375马力（电驱动+电池驱动）
电池容量：1.5或2兆瓦时
轴数：6轴，Co-Co布局
重量：278千磅/126吨
最高速度：70英里/小时/112公里/小时
牵引力
– 启动模式：最高可达 117 klbf / 520 kN
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