去年十月首次亮相的FLXdrive机车采用了罗伊·希尔标志性的粉色涂装。（图片：Wabtec公司）2023 年 10 月下旬，运输解决方案提供商 Wabtec 及其首批客户、总部位于澳大利亚的铁矿石开采公司 Roy Hill 共同庆祝了 FLXdrive 机车的首次亮相——这是一款生产型机车，Wabtec 将其描述为“世界上第一台 100% 电池驱动的干线重型机车”。
此次发布是十多年研发的结晶，而这项研发始于电池技术和能量密度远不如现在成熟的时代。Wabtec货运设备总裁罗杰里奥·门多萨将公司最早的项目称为“与其说是一个完整的产品，不如说是一个科学试点项目”。
Rogerio Mendonca，西屋制动货运设备总裁FLXdrive 系统在 2021 年真正走上正轨，当时与 BNSF 合作开发的一台试点机车运行里程超过 13,000 英里。“从很多方面来看，这都是一次非常非常成功的试点，”门多萨说道。“这台机车内置约 2.4 兆瓦时的电力。这实际上是我们首次在货运铁路上实际运行一台真正的重载全尺寸电池电力机车……”
“那时我们意识到，我们可能已经准备好推出基于电池技术的大规模商业产品了。”
可扩展解决方案
Wabtec与包括Roy Hill在内的多家客户合作，共同开发FLXdrive重载机车。这些合作关系，以及电池技术的飞速发展，对电池封装方式、车载最佳功率、安全系统等诸多方面都产生了影响。
因此，量产型机车虽然在外观上与试制机车相似，但与试制机车却相去甚远。“（2021年），我们当时使用的是2.4兆瓦时的机车，而我们交付给罗伊山的这台机车功率达到了7兆瓦时。所以，（它的）物理结构相同，机车尺寸也相同，但技术……使我们能够达到更高的功率密度，而功率密度是关键因素之一，”门多萨说道。
FLXdrive 机车采用模块化和可扩展的电池架构，旨在集成到多种轨道车辆和环境中，包括重载机车、调车机车、区域机车、通勤机车、混合动力机车和特种机车。最大电池容量从 1.5 兆瓦时到 8.5 兆瓦时不等，具体取决于配置和应用。
门多萨表示，重载版机车以柴油电力机车为基础，但用液冷式锂离子电池组取代了柴油发动机。整套电池组可提供所需的功率——以罗伊·希尔公司计划在西澳大利亚矿业密集型皮尔巴拉地区使用的机车为例，总共使用了72个电池组。
FLXdrive 机车采用模块化、可扩展的电池架构，旨在集成到多种轨道车辆和环境中。（图片：Wabtec 公司）门多萨表示：“这组电池是一个复杂的系统，不仅包含电池单元，还包括所有相关的安全和控制系统，例如专有的热管理系统。当我们把这么多电池组装在一起时，我们希望确保以安全可靠的方式进行操作。这就需要一系列的配件和系统来冷却、管理电池，并确保整个系统稳定运行。”
FLXdrive重载机车虽然可以独立运行，但其设计初衷是用于混合动力编组——例如，在三台机车组成的“机车链”中，替换其中一台柴油电力机车。Wabtec的能量管理系统用于优化该编组的能量利用。
“例如，它可以决定何时使用电池，何时给电池充电，以及两台柴油发动机和一台纯电池驱动的机车之间的最佳运行模式，”门多萨解释说。“我认为这项技术最吸引人的地方之一在于它能够管理整个列车组的能量分配，这不仅有利于燃料优化，还能减少排放。”
下坡冲刺
FLXdrive 列车支持静态充电和可选的直流快速充电（使用固定式受电弓），未来计划推出可选的移动充电功能。重型 FLXdrive 列车还具备“运行中”再生制动充电功能。
门多萨评论道：“我认为，这项功能是该机车在减少排放和节省燃料方面最相关的方面之一，并且通过很大程度上消除静态充电的需求，简化了整个操作。” 他还表示：“这取决于应用场景，因为地形很大程度上决定了这些机车为电池充电的能力。”
罗伊·希尔铁路公司计划将这些电池电力机车整合到其现有车队中，作为混合动力列车的一部分。（图片：Wabtec公司）“我们有些客户在矿区运营，通常情况下，列车要从山顶的矿井开往港口……在这样的地方，这些机车很多时候仅靠制动系统就能充电。因此，在混合动力列车编组中，或许可以实现完全无需外部充电。这些电池电力机车可以在整个运输路线上自行充电。”
此外，该电池系统还集成了FLX Optimizer，这是一种基于Wabtec柴油机车行程优化器（Trip Optimizer）的“智能巡航控制系统”，专为电力列车设计。“这套系统能够管理机车的运行，确定制动点和加速点，从而实现我们所说的最佳运行，”门多萨说道。“如何才能以最佳方式将列车从A点送到B点？这套系统能够根据速度、停车点和海拔高度等因素，计算出最佳的加速和制动点。”
“FLXdrive 也从该系统中受益匪浅，它优化了充电和放电过程。这不仅有助于设备本身的运行，还能通过保持最佳的充电和放电性能来延长电池寿命。”
降低成本和排放
这项技术对于满足像罗伊·希尔这样的客户所期望的性能至关重要。这家矿业公司目前运营着四台Wabtec ES44Aci Evolution系列柴油电力机车，牵引着240节车厢的矿石列车，沿着一条封闭的环形线路，从其矿山（通过其自有铁路）运送到港口设施，然后再返回。该公司每年向钢铁生产商运送超过6300万吨矿石。
“他们拥有超级可靠、可用性极高的资产，这对他们来说至关重要，因为他们基本上运营着一条将矿石从矿山运送到港口再运回来的‘传送带’，”门多萨说道。
鉴于路线和公司的铁路运营情况，采用 FLXdrive 机车的混合动力列车预计将使每列火车的燃料成本和排放量降低两位数百分比。
“研发电池机车的根本原因在于帮助我们的客户实现脱碳计划，无论是在由三台柴油机车组成的列车中加装一台或两台电池机车，从而按比例减少排放，还是整列列车全部采用电池机车，”门多萨表示。“最初的理念就是打造一款能够在重载运输中零排放运行的产品。我认为这条道路前景非常光明。”
罗伊山矿业公司计划将电池电力机车整合到现有车队中，同时继续改进柴油技术，以提高燃油效率和可靠性。“电池和柴油的结合无疑将帮助他们达到燃油效率和运输能力的最佳平衡点——这些都是像罗伊山这样的大型矿业公司最为关注的因素，”门多萨说道。
他补充道：“柴油电力机车仍然是我们产品组合中非常重要的一部分，也是我们全球所有客户运营中非常重要的一部分，而且这种情况还会持续一段时间。过去几年，柴油技术发展迅速，燃油消耗量以及二氧化碳和颗粒物排放量都得到了显著降低，这得益于Tier 4排放标准的技术。因此，市场上已经存在非常成熟的柴油电力技术，该技术将与电池相结合，逐步推动这一转型。”
持续发展
这台将于2024年晚些时候交付给西澳大利亚的FLXdrive机车正在宾夕法尼亚州伊利市的Wabtec制造厂生产。“由于这是第一台，所以我们选择在离我们工程研发中心较近的地方生产，”门多萨说。“未来，我们希望它们能在我们遍布全球的工厂生产。”
即使这台机车在澳大利亚皮尔巴拉地区的罗伊·希尔矿场投入运营后，产品研发工作仍将继续进行。（图片：Wabtec公司）即使机车投入运营后，产品研发工作仍将继续。“当这些机车在澳大利亚开始运营时，我们将与罗伊·希尔公司一起参与，共同运行这些机车。我们将不断学习，并将经验反馈到机车的建造和设计过程中。”门多萨说道。
“这对整个行业来说都是一个有趣的学习过程，”他补充道，“我们很幸运能有像 Roy Hill 这样的合作伙伴，与我们一起加速这一学习过程。”
门多萨预测，围绕电池的技术——不仅包括电池密度和寿命周期，还包括控制技术——将继续快速发展，并推动设计方面的进一步进步。
“从三年前的试点项目到如今我们正在制造的机车，我们已经看到了显著的进步。我认为整个行业普遍认为这种进步速度将会持续下去，”他说道。“前景非常光明。我们非常期待未来几年这项技术的进一步发展。”
