韓 笑，劉順國，郭 力

(中國中車資陽機(jī)車有限公司技術(shù)中心，四川 資陽 641301)

0 引言

為適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)車發(fā)展的新要求，國內(nèi)外各公司陸續(xù)開始進(jìn)行混合動力新車型的開發(fā)，加拿大Rail Power、美國GE、Brookville、法國Alstom、德國Schakle、日本Toshiba等多個公司均開發(fā)過混合動力機(jī)車，部分公司還曾進(jìn)行了舊車的混合動力改造工作，但還沒有公司提出混合動力車組的概念。

本文介紹的混合動力車組是為滿足發(fā)達(dá)國家環(huán)保要求而開發(fā)的全新的混合動力模式，采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車重聯(lián)純動力電池機(jī)車的方式，2車未重聯(lián)時分別有獨(dú)立牽引的能力，同時2車的主傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)可以進(jìn)行重聯(lián)，重聯(lián)后整體相當(dāng)于一個混合度50%左右的動車組，能夠?qū)崿F(xiàn)混合牽引、動力制動能量回收等混合動力車的關(guān)鍵功能，起到大功率牽引、節(jié)省燃油和降低排放的目的。與單獨(dú)開發(fā)混合動力新車型和舊內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行混合動力改造相比，混合動力車組更靈活，對舊車的改動更小，且利用率高，能充分發(fā)揮混合動力機(jī)車的優(yōu)勢，是一種現(xiàn)階段切實(shí)可行的干線牽引混合動力方案。

而成功研制混合動力車組的關(guān)鍵技術(shù)是確定與線路及牽引方式相適宜的動力電池容量及混合動車組控制策略。因此本文針對澳洲某條特定干線線路對該混合動車組的編組、混合動力電池容量、混合動力控制策略等進(jìn)行方案研究與仿真計(jì)算。

1 混合動力車組編組方案

干線用混合動力車組目標(biāo)是以混合動力牽引模式(1臺內(nèi)燃交流傳動機(jī)車+1臺純蓄電池機(jī)車)替代2臺內(nèi)燃交流傳動機(jī)車重聯(lián)牽引的模式，混合動車組編組模式如圖1所示。目標(biāo)客戶傳統(tǒng)運(yùn)營編組模式為2臺3 000 kW內(nèi)燃交流傳動機(jī)車重聯(lián)牽引，為保證混合動力車組牽引性能不低于傳統(tǒng)運(yùn)營編組，混合動力車組編組總功率(相當(dāng)于柴油機(jī)裝車功率)須大于等于6 000 kW，采用1臺3 000 kW內(nèi)燃交流傳動機(jī)車+1臺3 000 kW純蓄電池機(jī)車。

圖1 混合動車組編組模式

車組主要技術(shù)參數(shù)如下:功率大于等于6 000 kW；軸重：22.3 t；軸式：(C0-C0)+(C0-C0)；啟動牽引力：2×600 kN；尺寸牽引力：2×520 kN；最高運(yùn)行速度：120 km/h；持續(xù)速度：16 km/h；電阻制動功率大于等于4 500 kW；限界：RoA Manual Diagram 18-1 Plate A。

2 混合動力車組動力電池方案

混合動車組要求裝車動力電池組容量大、重量輕，因此動力電池組采用磷酸鐵鋰電池，系統(tǒng)電量3 080 kW·h，電壓1 408 V，容量2 188.8 Ah，采用容量與功率兼顧型圓柱3 600 mAh磷酸鐵鋰電池。整體動力系統(tǒng)由外廓相同的40個動力蓄電池單元串聯(lián)組成。每個動力蓄電池單元由電池模塊、管理系統(tǒng)從控盒、高壓接插件、面板、承重式電池箱體框架等組成。動力電池組安裝在具有防御雨、雪、風(fēng)、沙、通風(fēng)、保暖的電池倉內(nèi)，滿足機(jī)車的振動和沖擊要求。

動力電池組主要技術(shù)指標(biāo)如下：電池類型為：IFR26650-3 600 mAh；組合方式為：440s 608p；系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為：1 408 V；系統(tǒng)額定容量為：2 188.8 Ah；充電方式為：CC/CV；充電最高電壓為：1 606 V；持續(xù)充電電流為：2 188 A(1C)；最大充電電流為：3 283 A(1.5C)；持續(xù)放電電流為：2 188 A(1C)；循環(huán)壽命為：不少于2 500次；工作溫度范圍：充電為0℃～55℃，放電為-20℃～55℃。

3 混合動力車組控制策略

混合動力車組在干線上運(yùn)用時，須保證純電動機(jī)車不停機(jī)情況下可以持續(xù)提供牽引功率，且動力蓄電池能達(dá)到最佳循環(huán)壽命和機(jī)車運(yùn)用最大經(jīng)濟(jì)性的目的。為達(dá)到以上目的，先制訂基本控制策略，并通過仿真計(jì)算證明該控制策略在目標(biāo)線路(澳洲North Goulburn到Harden 160 km之間來回運(yùn)用)運(yùn)用是可行的。

3.1 “1臺純動力蓄電池動力機(jī)車+1臺內(nèi)燃交流傳動機(jī)車”的混合動力車組基本控制策略

混合動力車組在干線上運(yùn)用時有3種工作模式，動力車組需要大功率牽引時，雙機(jī)同時輸出牽引功率的混合牽引模式(見圖2)、混合動力車組牽引功率小于純內(nèi)燃單機(jī)牽引功率時，將使柴油機(jī)盡量工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，滿足牽引后的多余功率向動力電池機(jī)車充電的模式、混合動車組電阻制動時制動能量回饋給動力電池機(jī)車充電的模式，如圖3所示。

圖2 內(nèi)燃機(jī)車與純蓄電池機(jī)車共同牽引

圖3 純蓄電池機(jī)車充電

當(dāng)混合動車組混合牽引時為了減少機(jī)車加速時間，并保證機(jī)車?yán)m(xù)航能力，應(yīng)優(yōu)先使用內(nèi)燃機(jī)車動力。當(dāng)動力電池組荷電狀態(tài)SOC(state of charge)高于特定值時，混合牽引功率中動力電池輸出功率與內(nèi)燃機(jī)車輸出功率比為1:1，隨著動力電池組SOC的降低逐步降低純動力電池機(jī)車在混合牽引動力中的占比，并提高內(nèi)燃交流傳動機(jī)車功率，直到達(dá)到該檔位目標(biāo)功率或內(nèi)燃交流傳動機(jī)車的最大功率。

當(dāng)混合動車組中動力電池SOC低于特定值時，內(nèi)燃機(jī)車工作在滿功率狀態(tài)，滿足牽引后的功率給動力電池充電。

當(dāng)混合動車組制動時，其機(jī)車制動能量優(yōu)先用于動力蓄電池充電，動力蓄電池充電能力不足時，用內(nèi)燃交流傳動機(jī)車電阻制動進(jìn)行補(bǔ)充。

3.2 對特定線路進(jìn)行仿真計(jì)算，確定混合動力車組控制策略

在目標(biāo)線路(澳洲Goulburn到Harden線路進(jìn)行貨車牽引)針對運(yùn)行工況進(jìn)行仿真計(jì)算，總結(jié)混合動力車組的動力電池使用情況從而確定最佳電池放電倍率，在滿足全線不停機(jī)充電的條件下，最大化提高電池使用率，保證機(jī)車最佳運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，確定混合動車組最終控制策略。

3.2.1 線路情況

Goulburn到Harden整條線路全長163 km左右，正向方向呈起伏下降，最大上坡道25‰，最大下坡道15‰，爬坡最小曲線半徑400 m。全線海拔變化如圖4所示。

圖4 Goulburn到Harden全線海拔變化趨勢

對于混合動力車組來說，機(jī)車牽引上坡放電，下坡充電，起伏狀線路最適合混合動力車組牽引運(yùn)行，能夠充分發(fā)揮混合動力的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃油，降低排放的目的。

3.2.2 仿真計(jì)算

牽引運(yùn)行仿真計(jì)算采用有限元方法和思路，將澳大利亞Goulburn到Harden線路全長分成等長(每隔10 m)的有限個區(qū)段，采取擬定的編組方式(1臺純動力電池機(jī)車+1臺內(nèi)燃機(jī)車共同牽引3 000 t貨物)和一系列機(jī)車控制策略依次對每一區(qū)段進(jìn)行牽引運(yùn)行計(jì)算，輸出計(jì)算后的邊界結(jié)果，同時作為下一區(qū)段的計(jì)算用邊界條件，最終得到不同條件下的速度、時間、耗電量和油耗等計(jì)算結(jié)果，同時得到每一特定點(diǎn)或路段的牽引運(yùn)行狀況。

3.2.2.1 正向牽引

正向線路為起伏下坡，全線干線混合動力車組的正向牽引仿真速度如圖5所示，電池電量變化如圖6所示，正向牽引仿真計(jì)算結(jié)果對比如表1所示。

圖5 正向牽引速度變化

圖6 正向電池電量變化

通過該仿真計(jì)算對正向路線上純電池機(jī)車搭配內(nèi)燃交流傳動機(jī)車的牽引運(yùn)用情況進(jìn)行分析，當(dāng)出發(fā)時動力蓄電池SOC達(dá)到95%，正方向牽引用動力蓄電池采用最大1C放電、1.5C充電(見表1放電策略1)，到終點(diǎn)時SOC不低于47.5%，全程電量最低點(diǎn)位34%，且通過速度與2臺內(nèi)燃交流傳動機(jī)車牽引相當(dāng)。若加大電池放電倍率，以最大1.1C(3 300 kW)放電、1.5C充電(見表1放電策略2)，則電池電量依然足夠全程使用。到終點(diǎn)時SOC不低于41%，全程電量最低點(diǎn)為27.6%；速度相比1C放電僅提高2%。因此，考慮到動力蓄電池使用壽命，采用電池最大放電倍率1C方式最佳。

表1 正向牽引放電策略仿真計(jì)算結(jié)果對比

3.2.2.2 反向牽引

反向線路為起伏上坡，全線干線混合動力車組的反向牽引仿真速度如圖7所示，電池電量變化如圖8所示，反向牽引仿真計(jì)算結(jié)果對比如表2所示。

圖7 反向牽引速度變化

圖8 反向電池電量變化

表2 反向牽引放電策略仿真計(jì)算結(jié)果對比

續(xù)表2

反向牽引時因?yàn)榫€路為起伏上坡，故機(jī)車負(fù)荷較大，所需電量較大，為保證電池電量全線不低于25%，僅可采用最大0.5C(1 500 kW)放電、1.5C充電(見表2放電策略1)，在此條件下，到終點(diǎn)時SOC不低于43%，全程電量最低點(diǎn)為27%，可以滿足牽引需求，但因?yàn)闋恳β式档?，通過速度比2臺內(nèi)燃交流傳動機(jī)車重聯(lián)時降低了15%。因此須考慮其他控制策略以解決速度降低問題，如在電量比較緊張的線路上，還可以采用停機(jī)充電和全線柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速多余做功充電2種補(bǔ)電方式。前者雖然電量得到補(bǔ)充，但對通過時間影響較大，僅可用于有停車、會車等情況。而后者可以在途中讓柴油機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)油耗點(diǎn)的同時給動力電池補(bǔ)充一定電量，雖然油耗增加，經(jīng)濟(jì)性降低，但是可以提高通過速度。但采用此種方式需要注意，因?yàn)樯掀聲r柴油機(jī)功率幾乎都用于牽引，無多余做功；而下坡時動力制動回收已經(jīng)讓電池在最大倍率充電，故該方式多用于平直道、小坡道區(qū)段，以及停機(jī)怠速時。

通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該線路因?yàn)槠街焙托∑碌绤^(qū)段較少且全程不停機(jī)，故采用柴油機(jī)多余做功充電，補(bǔ)電量較少。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用全線柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速多余做功充電策略時，該線路柴油機(jī)可以給動力蓄電池充電SOC 15%，放電倍率可提高到最大0.58C(1 750 kW) 、1.5C充電(見表2放電策略2)，到終點(diǎn)時SOC不低于45.8%，全程電量最低點(diǎn)為25.5%，通過速度提高3%，可基本滿足運(yùn)用要求。

3.2.3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算分析得到：當(dāng)混合動車組動力電池功率和柴油機(jī)功率為1:1時，采用SOC不小于50%時，優(yōu)先使用動力蓄電池的電能給列車加速；SOC低于50%后，逐漸降低動力蓄電池放電倍率(當(dāng)SOC在40%～50%時，放電倍率0.5C；當(dāng)SOC在30%～40%時，放電倍率0.3C；當(dāng)SOC在20%～30%時，放電倍率0.15C)，延長純動力蓄電池動力機(jī)車?yán)m(xù)航時間；當(dāng)SOC低于20%時，動力蓄電池停止放電的控制策略可以滿足運(yùn)用要求，且節(jié)能效果較好。此時混合動車組在正向牽引時無需柴油機(jī)牽引多余做功充電或者停機(jī)充電，與2臺內(nèi)燃機(jī)車牽引相比，在通過速度與實(shí)際相當(dāng)?shù)那闆r下，全線依靠車載電池電量以及下坡制動能量回收的電量，可以減少燃油消耗50%(1 335.5 L)；反向牽引時依靠車載電量以及下坡制動能量回收的電量，可以減少燃油消耗33%(1 061.6 L)。

4 結(jié)語

本文中提出的電池方案及控制策略在澳大利亞North Goulburn到Harden線路上取得了良好的仿真效果，當(dāng)該車組用于其他線路時，應(yīng)按文中所述，先收集運(yùn)營線路數(shù)據(jù)，然后結(jié)合基本控制策略和機(jī)車性能進(jìn)行多次仿真計(jì)算并對比結(jié)果，初步確定最大放電電流和能滿足該線路運(yùn)營要求的控制策略，并綜合考慮通過性、經(jīng)濟(jì)性等目標(biāo)，從而確定理想的控制策略。再通過線路試運(yùn)行驗(yàn)證后，調(diào)整參數(shù)或策略，以期最終確定最適合該條線路的經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)車方案和牽引控制策略。