齊 彪，范麗冰，周安德，呂志龍

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412100)

0 引言

隨著近年來人類社會環(huán)保意識的提高，人們越來越認(rèn)識到傳統(tǒng)內(nèi)燃車高排放污染對人類環(huán)境帶來的危害。傳統(tǒng)內(nèi)燃動車動力系統(tǒng)運行排放所造成的空氣質(zhì)量日益惡化，環(huán)境保護(hù)的迫切性和石油儲量日見短缺的壓力，迫使人們?nèi)タ紤]內(nèi)燃動車組動力系統(tǒng)問題，尋求最優(yōu)的解決方案[1]。利用儲能設(shè)備與內(nèi)燃動力組成的混合動力系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省燃油，降低污染物排放，同時還可以降低運營成本，是很有發(fā)展前景的綜合能源利用系統(tǒng)[2]，也是近年來軌道交通領(lǐng)域研究的熱點。這種新型系統(tǒng)不僅保留了內(nèi)燃動力高線路適用性的優(yōu)點，同時運行過程中可短時進(jìn)行全電力牽引，實現(xiàn)列車低排放、低噪音運行，大大提升了列車環(huán)保性能。

超級電容具有大電流充放電的特性，可提供瞬時大功率[3]，結(jié)合現(xiàn)階段超級電容儲能電源發(fā)展成果，本文提出了一種基于內(nèi)燃柴油機(jī)與超級電容儲能電源的混合動力系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出一種動力控制方法，使動車組具有優(yōu)良的動力性能，同時綜合考慮動車組的各種運用工況，使列車能在各個工況之間靈活切換，保持低排放、高節(jié)能的特性。最后通過實驗驗證了動力系統(tǒng)和控制方法的有效性。

1 混合動力系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 混合動力系統(tǒng)構(gòu)架

混合動力系統(tǒng)總體構(gòu)架(見圖1)，主要包括柴油機(jī)動力包、整流器、超級電容儲能電源、變流器、牽引電機(jī)、制動電阻和輔助逆變器等。

圖1 混合動力系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

柴油內(nèi)燃動力包是一個柴油發(fā)電機(jī)組，將柴油化石能量轉(zhuǎn)化為三相交流電能，然后經(jīng)三相不可控整流器整流和DC-DC直流調(diào)壓后，轉(zhuǎn)化為直流電源輸出到中間回路。超級電容采用直接并聯(lián)的方式連接到中間直流回路上，一起給變流器后端負(fù)載供能。

在列車牽引工況，動力包和超級電容同時給牽引變流器(包括牽引逆變器和輔助逆變器)供電。由于超級電容具有短時大功率輸出特性，列車能在短時內(nèi)加速到最高運營速度。在列車惰行工況，動力包除少量功率用于維持列車恒速運行外，多余的功率可用于給超級電容充電，使超級電容處于高電量的狀態(tài)，以備下階段超級電容牽引功率輸出。

在列車制動工況，牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將制動回饋電能給輔助系統(tǒng)利用，同時給超級電容充電，實現(xiàn)能量的回收利用；如果回饋能量較大，回饋能量中多余的電能由制動電阻以熱量的方式進(jìn)行釋放。

1.2 混合動力系統(tǒng)動力模式

混合動力系統(tǒng)包括多種動力模式。通過選擇不同的動力模式適應(yīng)列車不同的應(yīng)用場景和工況。

柴油機(jī)動力包供能模式：①當(dāng)列車運行在低速區(qū)間或整車功率消耗較低時，柴油動力包的輸出功率就能滿足列車的功率需求，此時不需要超級電容輸出。系統(tǒng)工作僅在柴油機(jī)動力包供能模式。②當(dāng)超級電容需要充電時，啟動柴油機(jī)給超級電容充電，此時系統(tǒng)也處于柴油機(jī)動力包供能模式。

超級電容儲能電源供能模式：當(dāng)列車處于庫內(nèi)或在車站等人口密集、對噪聲要求比較高的場合，關(guān)閉柴油動力包僅啟動超級電容，使列車實現(xiàn)短距離牽引。由于柴油機(jī)未啟動，列車此時靜音運行。

柴油機(jī)動力包和超級電容儲能電源混合動力牽引：列車需要爬坡或加速時，此時單個動力不能滿足牽引需求。由于超級電容儲能電源能提供瞬時大功率，因此，此時處于混合動力模式，列車具有優(yōu)良的動力性能。

2 混合動力系統(tǒng)控制方法

2.1 控制系統(tǒng)組成

混合動力系統(tǒng)要實現(xiàn)包括靜態(tài)運行、牽引控制、制動控制和惰行控制等多種工作狀態(tài)的控制，規(guī)定各個模式下的操作步驟，控制不同模式下動力包與超級電容的相互協(xié)同工作?？刂葡到y(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 混合動力控制系統(tǒng)示意圖

圖2中，司機(jī)模型是司機(jī)根據(jù)列車實際車速、線路工況和目標(biāo)車速等條件給出的司控器手柄級位。

司機(jī)意圖解釋模塊主要功能是，根據(jù)當(dāng)前列車實際車速和司機(jī)給出的手柄信號，計算出當(dāng)前整車需要輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并將該信號發(fā)送給功率需求計算模塊和牽引逆變器。

功率需求計算模塊根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩、實時車速和逆變器實時反饋輔助功率，計算出當(dāng)前整車總功率需求。

能量管理模塊根據(jù)當(dāng)前整車總功率需求、動力包可用功率限值、超級電容輸出功率限值，根據(jù)超級電容配比策略，將功率配比輸出需求發(fā)送給動力包和超級電容。

動力包模塊根據(jù)當(dāng)前所需功率和實際輸出功率，調(diào)整轉(zhuǎn)速直到實現(xiàn)目標(biāo)功率和實際功率相同。

超級電容模型則將超級電容的實時電壓、模組溫度等發(fā)送網(wǎng)絡(luò)及逆變器。

逆變器模塊根據(jù)當(dāng)前整車所需輸出力矩、控制電機(jī)輸出相應(yīng)力矩，同時限制超級電容充放電電流。

2.2 功率需求計算

混合動力系統(tǒng)要解決的核心問題是對功率的控制，第一步是計算系統(tǒng)總的功率需求。整車功率需求包括牽引功率和輔助功率兩個部分。如上所述，功率需求計算模塊根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩、車速和輔助功率等輸入信息計算當(dāng)前的功率需求。具體計算方法如下。

在不考慮系統(tǒng)效率的情況下，牽引功率計算可表示為：

(1)

其中，v表示列車車速；μ表示司控器手柄牽引級位；F為牽引力，是車速和手柄級位的函數(shù)。

總的功率需求為牽引負(fù)載和輔助負(fù)載之和，即：

Pr(v，μ)=PL(v，μ)+Psiv

(2)

其中，Psiv表示輔助系統(tǒng)功率。

2.3 功率配比策略

確定不同動力源的功率配比是混合動力系統(tǒng)能量管理需要解決的核心問題，直接決定系統(tǒng)的工作特性。由于車載超級電容所儲存的能量有限，長時間大功率輸出將導(dǎo)致饋電的風(fēng)險，影響車輛加速性能。因此，確定“動力包優(yōu)先發(fā)揮，超級電容補充輸出”為混合動力系統(tǒng)功率配比原則，避免超級電容過度放電的問題。動力包和超級電容功率配比主要由需求功率和超級電容實時電壓決定。

2.3.1 超級電容電壓大于等于設(shè)定值

當(dāng)超級電容實時電壓大于等于設(shè)定值表示超級電容電量較充足，允許即時的大功率輸出。因此，當(dāng)需求功率小于動力包最大可用功率時，能量管理模塊向動力包發(fā)目標(biāo)功率需求(見圖2)，功率全由動力包輸出，超級電容不輸出；當(dāng)需求功率大于動力包最大可用功率時，能量管理模塊向動力包發(fā)目標(biāo)功率需求，動力包按最大功率輸出，超級電容補充超出的部分。

2.3.2 超級電容電壓小于設(shè)定值

當(dāng)超級電容實時電壓小于設(shè)定值表示超級電容處于電量水平較低的狀態(tài)，需要補充電能。因此，當(dāng)需求功率小于動力包的可輸出最大功率時，能量管理模塊向動力包發(fā)目標(biāo)功率需求，動力包全功率輸出，一部分滿足牽引輔助端功率需求，剩余部分給超級電容充電，使超級電容保持高電量水平，進(jìn)而保證列車動力系統(tǒng)的二次加速性能。

當(dāng)需求功率大于動力包的最大可輸出功率時，能量管理模塊向動力包發(fā)目標(biāo)功率需求，動力包全功率輸出，超級電容補充輸出超出的部分。

2.4 制動能量回收策略

車輛進(jìn)行制動時，滿足速度要求的情況下，施加電制動，此時功率需求計算模塊計算的需求功率值為負(fù)值，動力系統(tǒng)進(jìn)入制動模式?；旌蟿恿M(jìn)入制動模式時，電制動再生能量給輔助系統(tǒng)供電，多余的能量給超級電容充電。

根據(jù)車輛電制動特性，車輛開始制動的起始速度決定電制動回饋的能量大小。為了更合理利用超級電容回收制動再生能量，達(dá)到混合動力節(jié)能減排的目的，須根據(jù)車輛實時車速控制超級電容的電量狀態(tài)，預(yù)留足夠的電量空間，回收制動能量。由于超級電容直接并聯(lián)在中間直流回路上(見圖1)，超容電壓和中間直流回路電壓相等，利用整流器內(nèi)DC-DC模塊根據(jù)車輛實時車速對中間回路電壓進(jìn)行控制實現(xiàn)對超容電量的控制。具體如表1所示。

表1 中間電壓控制列表

車輛制動時的速度越高，電制動回饋能量越大，表1中電壓閾值的設(shè)置隨著速度區(qū)間的增大依次減小。

3 試驗驗證

某混合動力動車組采用了該混合動力系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進(jìn)行了滾動試驗臺地面組合試驗驗證，試驗系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗主要參數(shù)

運用上述混合動力控制方法，針對混合動力系統(tǒng)可能處于的各種工作狀態(tài)，測試各個工況下系統(tǒng)的工作參數(shù)與效能。

3.1 牽引工況測試

將滾動測試臺的速度保持在50 km/h，牽引級位從0調(diào)整到100%，模擬列車牽引工況。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 牽引工況測試結(jié)果

從圖3可看出，隨著牽引級位加大，動力系統(tǒng)牽引功率從0增加到約600 kW。牽引功率增加過程中，整流器功率優(yōu)先輸出，6 s時刻增加到最大輸出；超級電容由充電轉(zhuǎn)為放電補充功率輸出，約11 s時輸出功率達(dá)到最大，超級電容電壓從830 V降低到約790 V。試驗結(jié)果證明了“動力包優(yōu)先發(fā)揮，超級電容補充輸出”混合動力系統(tǒng)功率配比策略的有效性。

3.2 惰行工況測試

利用外部負(fù)載將超級電容放電至電量較低的水平，同時滾動測試臺的速度保持在80 km/h，牽引級位保持為0，模擬列車惰性工況。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4測試結(jié)果顯示，列車惰行時超級電容處于充電狀態(tài)，電壓從約640 V上升到約830 V，830 V后整流器DC-DC控制充電電流減小，電壓到達(dá)控制閾值后保持平穩(wěn)不再上升。符合系統(tǒng)惰性工況設(shè)定的控制效果。

圖4 惰行工況測試結(jié)果

3.3 制動工況測試

將滾動測試臺的速度保持在60 km/h，制動級位調(diào)整到100%，模擬列車制動工況。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 制動工況測試結(jié)果

制動工況時，測試結(jié)果顯示隨著牽引電機(jī)回饋功率逐步增加，超級電容功率也同步增加，幾乎全部回收制動能量。超級電容從電壓805 V充電到845 V。制動過程中，控制整流器DC-DC處于關(guān)斷狀態(tài)，無功率輸出。

4 結(jié)語

研究了混合動力動車組的動力系統(tǒng)基本架構(gòu)和組成，并詳細(xì)介紹了柴油機(jī)動力包和超級電容混合動力系統(tǒng)工作的基本原理和能量管理策略，最終用試驗證明了控制方法的有效性，使內(nèi)燃動力動車組在具有較好的動力特性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)節(jié)能、減排的環(huán)保目標(biāo)，為混合動力動車組系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供了良好的借鑒。