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(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。

1 混合動(dòng)力車組編組方案

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。

2 混合動(dòng)力車組動(dòng)力電池方案

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℃。

3 混合動(dòng)力車組控制策略

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。

3.1 “1臺(tái)純動(dòng)力蓄電池動(dòng)力機(jī)車+1臺(tái)內(nèi)燃交流傳動(dòng)機(jī)車”的混合動(dòng)力車組基本控制策略

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。

3.2 對特定線路進(jìn)行仿真計(jì)算，確定混合動(dòng)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(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)。

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(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。