齊洪峰，吳 健，張 弛，季 巧

（1 中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100070；2 北京交通大學 國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044）

調(diào)車機車是專門用于列車牽出、推峰、編組等調(diào)車作業(yè)的機車［1］，具有頻繁啟動及停車的特點。調(diào)車機車負荷變化頻率高，運行工況不穩(wěn)定，柴油機滿負荷工作時間平均只有10%左右，約50%的的時間處于空載或惰轉(zhuǎn)運行狀態(tài)［2］，這使得柴油機裝車功率遠大于各工況下的平均運行功率，導致大功率柴油機配置的浪費。此外，載重的頻繁變化使得內(nèi)燃機車對燃油的利用效率低，導致能源浪費和環(huán)境污染等問題。

為了改善傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機車的運行性能和經(jīng)濟效益，柴電混合動力調(diào)車機車應運而生。柴電混合動力指的是柴油發(fā)電機組與蓄電池系統(tǒng)共同作為動力源，為機車提供能量。鑒于我國現(xiàn)保有的內(nèi)燃機車中，東風（簡稱DF）內(nèi)燃機車為主力車型，文中將參照其運行工況對柴電混合動力調(diào)車機車動力系統(tǒng)進行合理配置，實現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能、降噪的目的。

1 柴電混合動力調(diào)車機車工作原理

1.1 柴電混合動力調(diào)車機車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柴電混合動力調(diào)車機車的電傳動系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機組、車載動力電池組、整流器、雙向DC/DC變換器、牽引逆變器、輔助變流器、機械驅(qū)動裝置等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柴電混合動力調(diào)車機車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

牽引工況下，柴油發(fā)電機組將燃油的熱能轉(zhuǎn)換為機械能并帶動發(fā)電機，發(fā)電機再將機械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)由整流器向中間直流環(huán)節(jié)供電；車載動力電池組將化學能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)雙向DC/DC變換器，與柴油機發(fā)電機組作為雙動力源為調(diào)車機車的運行及輔助系統(tǒng)提供能量。制動工況下，機車再生制動的能量反饋至中間直流母線上，由機車輔助系統(tǒng)和動力電池組吸收，若制動能量無法全部回收，則由電阻或機械制動轉(zhuǎn)化為熱能消耗。

1.2 柴電混合調(diào)車機車的功率流動

柴電混合動力調(diào)車機車功率流動如圖2所示，其中紅色箭頭表示能量可以雙向流動。

圖2 混合動力系統(tǒng)功率流動示意圖

圖中，Pes為車載動力電池組經(jīng)雙向DC/DC變換器后的輸出功率；PDG為柴油發(fā)電機組提供的功率；PM為中間直流環(huán)節(jié)母線功率；Ptr為折算到中間直流環(huán)節(jié)的列車運行需求功率；PSIV為輔助系統(tǒng)功率；Pw為機車輪周功率。

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，柴油機在負荷率越高時，油耗率越低。負荷率反映的是柴油機工作的平均功率。為了提高節(jié)油率，使柴油機盡可能只在額定功率下工作，需保證只要其啟動，就工作在最佳工作點即滿負荷工作點。因此采用如下控制方案：牽引工況下，當牽引及輔助功率小于柴油機滿負荷功率時，由動力電池系統(tǒng)提供功率；當牽引及輔助功率大于柴油機滿負荷功率時，柴油機啟動并滿負荷工作，不足的功率由動力電池系統(tǒng)補充。制動工況下，制動能量由動力電池完全吸收。當動力電池SOC較低時，柴油機滿負荷啟動為動力電池充電。

2 混合動力系統(tǒng)建模

2.1 柴油機模型

柴油發(fā)電機組的建模可以分為試驗建模與理論建模2種方法［3-4］，文中是從大量試驗數(shù)據(jù)中提取出能夠代表柴油發(fā)電機組各種工作特性的數(shù)據(jù)，采用萬有特性圖（Map圖）進行的試驗建模［3-5］。由于重點關注燃油消耗減少帶來的經(jīng)濟性的改善，因此只針對燃油消耗部分建模。根據(jù)機車實際運行時的油耗數(shù)據(jù)，建立8240ZJS柴油機的萬有特性曲線如圖3所示。

圖3 發(fā)動機萬有特性曲線

不考慮溫度修正情況下的理論燃油消耗，發(fā)動機油耗特性關系為式（1）：

針對發(fā)動機也采取試驗建模的方法，通過插值選取每個輸出功率下的最小耗油率所對應的工作點，作為發(fā)電機組的最優(yōu)工作曲線［5-7］。

2.2 電池模型

2.2.1 電池電路模型

現(xiàn)有的動力電池等效電路模型主要包括：內(nèi)阻模型，PNGV模型，Thevenin模型和n階RC模型［8-9］。結(jié)合文中的研究重點，模型的準確程度以及仿真時長，單體動力電池Thevenin模型如圖4所示［9］。該模型不僅能夠準確的反應動力電池在實際使用過程中的穩(wěn)態(tài)特性及動態(tài)特性，而且模型所需的電池相關參數(shù)較少，便于仿真計算。

圖4 單體動力電池Thevenin模型

其中，VOCV為電池開路電壓；Rp與Cp為電池的極化內(nèi)阻與極化電容；Ro為電池的歐姆內(nèi)阻；Vp為電池的極化電壓；Ib為電池電流；Vo為電池端電壓。

利用基爾霍夫電壓及電流定律可得式（2）、式（3）：

通過電路暫態(tài)分析，可得動力電池端電壓與電流方程為式（4）：

對于動力電池荷電狀態(tài)（SOC），則采用安時積分法求解為式（5）：

式中：SOC（t）為t時刻電池的荷電狀態(tài)；Q為電池的容量；SOC（0）為電池初始SOC。

2.2.2 電池壽命模型

電池系統(tǒng)的有效壽命利用其全壽命期能量吞吐量和每日能量吞吐量間關系特性來計算為式（6）：

式中：Ylife為電池組有效使用壽命；EB為電池系統(tǒng)配置的額定能量；η為壽命折損系數(shù)，取0.72，為電池DOD與車載電池壽命周期平均衰減系數(shù)之積；NB為電池在特定DOD下的循環(huán)使用次數(shù)；Edaily為電池系統(tǒng)每日能量吞吐總量，根據(jù)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算平均得到。

電池系統(tǒng)的回收年限Yrecovery，由下式可得式（7）：

式中：CI為電池成本；Cyear為年均節(jié)油費用。

考慮電池日歷壽命和內(nèi)燃機車C6修程，將動力電池系統(tǒng)的更換周期確定為10 a。在10 a的服役壽命需求下，電池組的實際服役壽命YD為式（8）：

式中：Y為電池更換周期，10 a。

3 動力系統(tǒng)設計方案

對比參照DF系列的內(nèi)燃調(diào)車機車運行工況及相關數(shù)據(jù)，對3 000 hp（2 237 kW）柴電混合調(diào)車機車的動力系統(tǒng)進行配置。

3.1 柴油機的選取

調(diào)車機車進行作業(yè)時，長期處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，機車負載率低，導致燃油燃燒效率低下［4］。為了提高調(diào)車機車節(jié)油率，柴油機功率應接近運行平均功率，平均功率之外的負載變化功率由車載儲能系統(tǒng)提供。為了實現(xiàn)節(jié)油率的充分對比分析，根據(jù)實際工程項目要求，文中選擇現(xiàn)有技術(shù)成熟且運用廣泛的型號為8240ZJS的柴油機，其額定功率為1 324 kW，發(fā)電機組輸出功率為1 250 kW，其油耗特性數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 8240ZJS柴油機油耗特性曲線

3.2 電池系統(tǒng)配置

參照DF系列內(nèi)燃機車電傳動系統(tǒng)，柴電混合調(diào)車機車的中間直流環(huán)節(jié)額定電壓為1 500 V［10］。為了保證雙向DC/DC變換器正常工作，選取動力電池組端電壓為1 104 V。選取功率型鈦酸鋰電池（功率型LTO）、能量型鈦酸鋰電池（能量型LTO）、磷酸鐵鋰電池（LFP）3種類型電池來進行電池系統(tǒng)方案比選，備選電池參數(shù)見表1。

表1 3種鋰電池基本性能參數(shù)表

配置車載儲能系統(tǒng)時，首先通過調(diào)車機車在作業(yè)時的功率需求推算動力電池系統(tǒng)的峰值功率需求，以此計算出3種類型電池所需的能量配置，再結(jié)合各個工況下的能量需求，對比分析各種電池的性能特性和經(jīng)濟性，以確定動力電池的種類選取和具體配額。由于文中設計的3 000 hp（2 237 kW）調(diào)車機車輪周功率為2 200 kW，柴油發(fā)電機組輸出功率PDG為1 250 kW，輔助系統(tǒng)功率PSIV為142 kW，機車傳動效率η取0.866 5。

牽引加速階段，動力電池系統(tǒng)放電峰值功率為：

制動停車階段，動力電池系統(tǒng)充電峰值功率為：

為了匹配峰值功率需求，可由Pbatt，T與Pbatt，B的最大值1 764.3 kW作為電池系統(tǒng)的最小功率配置，則動力電池系統(tǒng)可以完全回收機車再生制動能量。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計算得到3種類型電池的配置邊界見表2。

表2 電池系統(tǒng)配置邊界

4 仿真與分析

4.1 基于MATLAB模型的仿真圖形

調(diào)車機車的調(diào)車作業(yè)包括牽出、編組、推峰及小運轉(zhuǎn)作業(yè)。

小運轉(zhuǎn)作業(yè)下，調(diào)車機車長時間工作在高負荷工況下，此時需柴油發(fā)電機組和電池共同輸出功率，此工況下，機車續(xù)航里程與電池裝機容量密切相關。另外，在機車實際運行功率與機車額定功率越接近時，混合動力系統(tǒng)不能充分發(fā)揮功率調(diào)節(jié)作用，節(jié)油效果不明顯，因此，柴電混合動力調(diào)車機車應避免小運轉(zhuǎn)作業(yè)模式，此工況適合用干線內(nèi)燃機車做牽引運行［11］。文中僅對牽出、編組及推峰工況做仿真分析，單程作業(yè)具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 3種工況的單程運行數(shù)據(jù)

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，3種工況的占比分別為25%、50%、25%，設定柴電混合調(diào)車機車每日進行3種載重的牽出作業(yè)各1趟、編組作業(yè)6趟、推峰作業(yè)3趟，仿真得到該混合工況下母線上的需求功率如圖6所示。

圖6 柴電混合動力調(diào)車機車在混合工況下的母線需求功率

由圖6可得，完成設定混合工況所需時間約為13.75 h，處于牽引工況下，機車加速至恒功率區(qū)時，母線功率能達最大值，全程平均功率為215.814 kW，小于選定柴油機的額定功率，且柴油機額定功率滿足最惡劣工況（載重6 000 t，速度為20 km/h）下勻速運行的功率需求，驗證柴油機選擇合理。

3種類型電池系統(tǒng)在混合工況下的SOC變化曲線如圖7所示。

圖7 3種電池系統(tǒng)在混合工況下SOC變化曲線

電池系統(tǒng)放電時SOC曲線下降，柴油發(fā)電機組給電池系統(tǒng)充電及回收制動能量時SOC曲線上升。對比可知，功率型LTO充放電倍率大，SOC變化迅速，所需充電次數(shù)最多；能量型LTO能量密度較大，同種工況下，SOC下降的斜率和幅度較小；LFP能量密度最大，續(xù)航能力明顯優(yōu)于其余2種。在設定工況運行結(jié)束后，柴油發(fā)電機組以額定功率給電池系統(tǒng)充電，使運行始末電池系統(tǒng)SOC相等，便于進行油耗對比。

4.2 經(jīng)濟性分析

4.2.1 油耗分析

由于電池系統(tǒng)能夠完全吸收制動能量，與DF7型內(nèi)燃機車相比，3種配置的柴電混合動力調(diào)車機車在各工況下的油耗和節(jié)油率相同，如圖8所示。

圖8 各工況下單程油耗數(shù)據(jù)

由于選取的小功率柴油機只運行在最佳工作點，并且動力電池系統(tǒng)能夠完全吸收制動能量，柴電混合動力調(diào)車機車在各工況下的耗油量遠低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車。在設定的混合工況下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機車DF7的油耗為665.98 L，柴電混合調(diào)車機車的油耗為417.424 1 L，節(jié)油率為37.32%，其中吸收制動能量節(jié)省燃油約12.29 L，占總節(jié)省油耗的4.94%。

4.2.2 綜合對比

參照DF7全年運行的工況數(shù)據(jù)，計算動力電池系統(tǒng)生命周期內(nèi)的節(jié)省費用，并將3種類型電池配置的經(jīng)濟性數(shù)據(jù)綜合，見表4。

表4 3種電池系統(tǒng)綜合對比

對3種類型電池系統(tǒng)配置進行橫向?qū)Ρ瓤芍?，功率型LTO電池系統(tǒng)初始成本低，回收年限短，生命周期內(nèi)節(jié)省費用最高；能量型LTO和LFP電池系統(tǒng)續(xù)航能力強，在生命周期內(nèi)也能節(jié)省一定費用，但初始投入成本高、回收年限長，且電池系統(tǒng)的體積與質(zhì)量遠遠高于功率型LTO電池系統(tǒng)?？紤]到工程項目實際要求，調(diào)車機車配置動力電池系統(tǒng)的空間有限。綜合以上因素，在選取輸出功率1 250 kW的8240ZJS型柴油機的前提下，配置252.043 kW?h的功率型LTO電池組作為3 000 hp（2 237 kW）柴電混合調(diào)車機車的動力系統(tǒng)為最佳方案。

5 結(jié)語

文中提出了一種簡要設計柴電混合動力調(diào)車機車動力系統(tǒng)的方案。根據(jù)調(diào)車機車日常運行的平均功率，首先確定柴油機的配置，柴油發(fā)電機組的輸出功率應大于該平均功率，并保證在惡劣工況下，能夠單獨提供調(diào)車機車勻速運行時的母線需求功率，選取滿足上述2個條件的小功率型柴油機。配置車載儲能系統(tǒng)時，先通過調(diào)車機車進行作業(yè)時的功率需求推算動力電池系統(tǒng)的峰值功率需求，以此確定各個類型電池系統(tǒng)所需的能量配置，再結(jié)合不同工況下的能量需求，對比分析各種電池的性能特性和經(jīng)濟性，并結(jié)合工程實際綜合考慮動力電池的種類選取。

針對3 000 hp（2 237 kW）柴電混合動力調(diào)車機車，最終選定252.043 kW?h的功率型鈦酸鋰電池配置混合比為58.53%的動力系統(tǒng)。該方案可以充分匹配調(diào)車機車在牽出、推峰、編組及混合工況4種作業(yè)模式下10 a的服役需求；在各個工況下，柴油發(fā)電機組只運行在最佳工作點，減少了燃油消耗量，達到節(jié)油率30%的目標；電池系統(tǒng)的電壓能夠保證雙向DC/DC變換器安全正常工作、電流能夠滿足電池的充放電倍率需求、SOC始終保持在10%～80%區(qū)間，驗證動力電池系統(tǒng)配置合理；動力電池系統(tǒng)在生命周期內(nèi)節(jié)省的費用可觀，能夠完全吸收制動反饋能量，在提升經(jīng)濟性的同時達到節(jié)能減排的目的。

由于實際工程項目需要，文中選取了輸出功率1 250 kW的8240ZJS型柴油機，然而仿真結(jié)果表明，調(diào)車機車運行平均功率遠小于該值，在一定程度上造成柴油機配置的浪費，這說明在設計3 000 hp（2 237 kW）柴電混合動力調(diào)車機車動力系統(tǒng)時，在滿足機車在惡劣工況下勻速運行功率需求條件下，可以考慮采用輸出功率更小的柴油發(fā)電機組，不僅可以提升節(jié)油率，還能節(jié)省柴油機購置成本，獲得更佳的經(jīng)濟效益。