為了降低鐵道車輛能耗及對環境的影響，日本一直致力于開發由電池提供能源的牽引系統。

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

     日立研發的混合牽引系統，將柴油發電機與電池結合在一起，于2007年投入商業運行，命名為KiHa E200。

      高功率密度電池模塊是為混合動力車輛開發的，采用體積小、結構緊湊的模塊設計，適合車載，每列混合動力列車共裝備16個電池模塊，回收再生能量。

      高能量密度電池模塊存儲能量大，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充電，列車共裝備216個電池模塊，以保證穩定的列車運行距離。

一
 

     快速充電和放電的高功率密度電池，是回收制動再生能量的關鍵，同時也是實現系統怠速停車與啟動性能的關鍵。

       對于要求配備發電機輸出的設備，如燃料電池系統，另一個方法是配置動力系統，以控制發電機的輸出功率，依靠高能量密度電池提供動力。

       2011年，日立與九州鐵路首次共同開發試驗了列車后，列車裝備了上述提到的動力系統，并于2016年10月投入運行。這是日本第一列通過AC接觸網充電的電池供電列車。

       此列車在幾十公里長的地方線路多個區段上運行，由此證明，該系列車可以在沒有接觸網的條件下連續運行，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用前景。

       2006年以來，日立一直致力于城市列車再生能量回收系統的研發。列車使用的牽引系統利用高功率密度電池的快速充電/放電性能，在非電氣化區段實現再生能量回收，提供接觸網能量緩沖功能。

       為了給車輛提供高容量電池供電系統，日立與日本九州鐵路公司合作，共同開發了一種電池供電列車，通過AC接觸網為電池充電，使列車能夠在電氣化區段與非電氣化區段之間運行。

       此列車不需要發動機，與傳統的柴油車相比，其牽引系統不僅能耗低、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境。

       主電路裝備有動力電池及輔助電源，與主變流器的中間直流環節連接。當列車低速通過電氣化區段中性段時，由于接觸網瞬間電源中斷，傳統的AC列車可能需要關閉輔助設備。

圖1. AC接觸網充電電池牽引列車的牽引供電系統配置

       電池供電系統可通過電池獲取電能，驅動輔助電源，從而保證輔助設備的不間斷工作。

       考慮到車輛的正常運行，使用從接觸網獲取的電能實施在電氣化區段的加速，與傳統的AC列車相同。

       蓄電池由電制動產生的再生能量充電，當列車滑行或靜止時，由接觸網提供充電能量，如圖2。

圖2. 電氣化區段能量鏈

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

 二

       高能量密度電池模塊由串聯在一起的72節電池組成，儲能約為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，在非電氣化區段運行30km及以上。

      鋰離子電池通常在低溫環境下會出現內部電阻的升高，輸出性能也會相應下降。而這種系統使用的電池模塊，在-20℃的條件下，極大地減少了輸出性能的下降。

       可以對不同類型的混合動力列車運行狀態進行比較，如圖3。

圖3. 混合動力列車運行狀態比較

       對于快運服務，HB-E210系列車的平均停站間距與既有混合動力列車KiHa E200相似。對于特快運輸，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，為保證設備出現故障時加減速的高性能，系統冗余非常重要。普通的混合動力列車為保證冗余，配備了兩套動力電池。

       HB-E210系列車通過增加應急儲能電池，提高了冗余性，當動力電池不可用時，由應急儲能電池啟動發動機，HB-E210以電力機車模式運行。

       傳統的變流器驅動啟動系統是利用動力電池的電能帶動發電機，HB-E210系列車使用內燃電動車組系統連續工作，而不使用動力電池。

圖4. HB-E210系列車牽引系統配置

      除動力電池外，HB-E210系列車系統還裝備了應急儲能電池，僅用來啟動發電機，當動力電池不可用時，實施啟動和發電控制。

      應急電池使用的模塊與動力電池相同，可以互換。電池模塊將兩組電池串聯（額定電量：340 V，1．9 kW·h），提供啟動發動機所需電能。