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)
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(dòng)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(gè)公司均開發(fā)過混合動(dòng)力機(jī)車,部分公司還曾進(jìn)行了舊車的混合動(dòng)力改造工作,但還沒有公司提出混合動(dòng)力車組的概念。
本文介紹的混合動(dòng)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(dòng)力模式,采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車重聯(lián)純動(dòng)力電池機(jī)車的方式,2車未重聯(lián)時(shí)分別有獨(dú)立牽引的能力,同時(shí)2車的主傳動(dòng)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(gè)混合度50%左右的動(dòng)車組,能夠?qū)崿F(xiàn)混合牽引、動(dòng)力制動(dòng)能量回收等混合動(dòng)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(dòng)力新車型和舊內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行混合動(dòng)力改造相比,混合動(dòng)力車組更靈活,對舊車的改動(dòng)更小,且利用率高,能充分發(fā)揮混合動(dòng)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(dòng)力方案。
而成功研制混合動(dòng)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(dòng)力電池容量及混合動(dòng)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(dòng)車組的編組、混合動(dòng)力電池容量、混合動(dòng)力控制策略等進(jìn)行方案研究與仿真計(jì)算。
干線用混合動(dòng)力車組目標(biāo)是以混合動(dòng)力牽引模式(1臺(tái)內(nèi)燃交流傳動(dòng)機(jī)車+1臺(tái)純蓄電池機(jī)車)替代2臺(tái)內(nèi)燃交流傳動(dòng)機(jī)車重聯(lián)牽引的模式,混合動(dòng)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(tái)3 000 kW內(nèi)燃交流傳動(dòng)機(jī)車重聯(lián)牽引,為保證混合動(dòng)力車組牽引性能不低于傳統(tǒng)運(yùn)營編組,混合動(dòng)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(tái)3 000 kW內(nèi)燃交流傳動(dòng)機(jī)車+1臺(tái)3 000 kW純蓄電池機(jī)車。
圖1 混合動(dòng)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(dòng)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(dòng)功率大于等于4 500 kW;限界:RoA Manual Diagram 18-1 Plate A。
混合動(dòng)車組要求裝車動(dòng)力電池組容量大、重量輕,因此動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)由外廓相同的40個(gè)動(dòng)力蓄電池單元串聯(lián)組成。每個(gè)動(dòng)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(dòng)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(dòng)和沖擊要求。
動(dòng)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℃。
混合動(dòng)力車組在干線上運(yùn)用時(shí),須保證純電動(dòng)機(jī)車不停機(jī)情況下可以持續(xù)提供牽引功率,且動(dòng)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。
混合動(dòng)力車組在干線上運(yùn)用時(shí)有3種工作模式,動(dòng)力車組需要大功率牽引時(shí),雙機(jī)同時(shí)輸出牽引功率的混合牽引模式(見圖2)、混合動(dòng)力車組牽引功率小于純內(nèi)燃單機(jī)牽引功率時(shí),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(dòng)力電池機(jī)車充電的模式、混合動(dòng)車組電阻制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能量回饋給動(dòng)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(dòng)車組混合牽引時(shí)為了減少機(jī)車加速時(shí)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(dòng)力。當(dāng)動(dòng)力電池組荷電狀態(tài)SOC(state of charge)高于特定值時(shí),混合牽引功率中動(dòng)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(dòng)力電池組SOC的降低逐步降低純動(dòng)力電池機(jī)車在混合牽引動(dòng)力中的占比,并提高內(nèi)燃交流傳動(dòng)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(dòng)機(jī)車的最大功率。
當(dāng)混合動(dòng)車組中動(dòng)力電池SOC低于特定值時(shí),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(dòng)力電池充電。
當(dāng)混合動(dòng)車組制動(dòng)時(shí),其機(jī)車制動(dòng)能量優(yōu)先用于動(dòng)力蓄電池充電,動(dòng)力蓄電池充電能力不足時(shí),用內(nèi)燃交流傳動(dòng)機(jī)車電阻制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。
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(dòng)力車組的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力車組牽引運(yùn)行,能夠充分發(fā)揮混合動(dòng)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(gè)區(qū)段,采取擬定的編組方式(1臺(tái)純動(dòng)力電池機(jī)車+1臺(tái)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(shí)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(shí)間、耗電量和油耗等計(jì)算結(jié)果,同時(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)車的牽引運(yùn)用情況進(jìn)行分析,當(dāng)出發(fā)時(shí)動(dòng)力蓄電池SOC達(dá)到95%,正方向牽引用動(dòng)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(shí)SOC不低于47.5%,全程電量最低點(diǎn)位34%,且通過速度與2臺(tái)內(nèi)燃交流傳動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(tái)內(nèi)燃交流傳動(dòng)機(jī)車重聯(lián)時(shí)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(shí)間影響較大,僅可用于有停車、會(huì)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(shí)給動(dòng)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(shí)柴油機(jī)功率幾乎都用于牽引,無多余做功;而下坡時(shí)動(dòng)力制動(dòng)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(shí)。
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(shí),該線路柴油機(jī)可以給動(dòng)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(shí)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(dòng)車組動(dòng)力電池功率和柴油機(jī)功率為1:1時(shí),采用SOC不小于50%時(shí),優(yōu)先使用動(dòng)力蓄電池的電能給列車加速;SOC低于50%后,逐漸降低動(dòng)力蓄電池放電倍率(當(dāng)SOC在40%~50%時(shí),放電倍率0.5C;當(dāng)SOC在30%~40%時(shí),放電倍率0.3C;當(dāng)SOC在20%~30%時(shí),放電倍率0.15C),延長純動(dòng)力蓄電池動(dòng)力機(jī)車?yán)m(xù)航時(shí)間;當(dāng)SOC低于20%時(shí),動(dòng)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(shí)混合動(dòng)車組在正向牽引時(shí)無需柴油機(jī)牽引多余做功充電或者停機(jī)充電,與2臺(tái)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(dòng)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(shí)依靠車載電量以及下坡制動(dòng)能量回收的電量,可以減少燃油消耗33%(1 061.6 L)。
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(shí),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。