薛 超,朱 兵,鄧伯勇

(中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心, 四川 資陽(yáng) 641301)

2019年,為大力推廣混合動(dòng)力技術(shù),中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司立項(xiàng)開(kāi)展液力傳動(dòng)機(jī)車(chē)的混合動(dòng)力改造技術(shù)研究及東方紅5型0411號(hào)機(jī)車(chē)改造研制,計(jì)劃裝車(chē)電池電量滿足半日公司內(nèi)調(diào)車(chē)作業(yè)需求。2020 年7月,東方紅5型 0411號(hào)液力傳動(dòng)機(jī)車(chē)的混合動(dòng)力機(jī)車(chē)(簡(jiǎn)稱(chēng)新0411號(hào)機(jī)車(chē))改造完成,由常用功率為100 kW的柴油發(fā)電機(jī)組和210 kW·h電量的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池分別或同時(shí)給中間回路供電,主傳動(dòng)及輔助傳動(dòng)從中間回路取電,三相異步交流電機(jī)通過(guò)中間齒輪箱以及車(chē)軸齒輪箱驅(qū)動(dòng)輪對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)走行。

為了分析液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)改造為混合動(dòng)力機(jī)車(chē)的運(yùn)用效果,評(píng)估既有液力傳動(dòng)機(jī)車(chē)改造為混合動(dòng)力機(jī)車(chē)的技術(shù)應(yīng)用是否成功,本文以新0411號(hào)機(jī)車(chē)的作業(yè)工況為基礎(chǔ),對(duì)其電池冷卻、電池使用壽命和機(jī)車(chē)節(jié)油情況等方面進(jìn)行分析研究。

1 作業(yè)工況

對(duì)新0411號(hào)機(jī)車(chē)進(jìn)行為期一個(gè)月作業(yè)工況寫(xiě)實(shí),主要包括作業(yè)鉤次、作業(yè)里程、牽引質(zhì)量。新0411號(hào)機(jī)車(chē)共作業(yè)了25 d,700鉤次,平均每天運(yùn)行里程10 198 m,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 新0411號(hào)機(jī)車(chē)作業(yè)工況數(shù)據(jù)

新0411號(hào)機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 新0411號(hào)機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)

對(duì)比表1和表2發(fā)現(xiàn),新0411號(hào)機(jī)車(chē)單鉤最大牽引質(zhì)量小于設(shè)計(jì)輸入質(zhì)量,為設(shè)計(jì)輸入質(zhì)量的50%;單鉤作業(yè)平均運(yùn)行里程也小于設(shè)計(jì)輸入單鉤平均運(yùn)行里程,約為原輸入設(shè)計(jì)單鉤平均運(yùn)行里程的50%。

2 能耗分析

鑒于新0411號(hào)機(jī)車(chē)的作業(yè)工況寫(xiě)實(shí)數(shù)據(jù)小于改造時(shí)設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù),理論上,新0411號(hào)機(jī)車(chē)裝車(chē)電量能夠滿足目前公司內(nèi)半日調(diào)車(chē)作業(yè)需求。

為了驗(yàn)證該結(jié)論,下文從理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)用數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行分析。

2.1 能耗理論計(jì)算

機(jī)車(chē)單鉤計(jì)算牽引能耗:

WJ=FS

(1)

式中:WJ為單鉤計(jì)算牽引能耗,J;F為牽引力,N;S為移動(dòng)的距離,m。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息,計(jì)算單鉤列車(chē)牽引力F:

(2)

單鉤機(jī)車(chē)總能耗:

(3)

式中:WD為單鉤機(jī)車(chē)總能耗,kW·h;η為新0411機(jī)車(chē)效率,取0.75。

機(jī)車(chē)半日計(jì)算總能耗:

(4)

式中:W為機(jī)車(chē)半日計(jì)算總能耗,kW·h;n為半日所有鉤次數(shù),鉤。

經(jīng)計(jì)算可得,新0411號(hào)機(jī)車(chē)一個(gè)月中半日最大計(jì)算能耗為26 kW·h,說(shuō)明新0411號(hào)機(jī)車(chē)裝車(chē)電量能滿足目前公司半日調(diào)車(chē)作業(yè)需求。

2.2 實(shí)際能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)新0411號(hào)機(jī)車(chē)一個(gè)月微機(jī)記錄能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),機(jī)車(chē)半日平均能耗為21 kW·h,半日實(shí)際最大能耗為40 kW·h,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表可知,新0411號(hào)機(jī)車(chē)裝車(chē)電量能夠滿足目前公司內(nèi)半日作業(yè)需求。

表3 能耗數(shù)據(jù) 單位:kW·h

3 電池冷卻效果分析

動(dòng)力電池溫度過(guò)高會(huì)降低其壽命甚至引發(fā)事故,溫度過(guò)低會(huì)影響其使用性能,所以對(duì)動(dòng)力電池溫度進(jìn)行分析十分必要。

根據(jù)新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池溫度控制要求可知,機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)整個(gè)動(dòng)力電池所有單體在同一時(shí)刻的最大溫差應(yīng)小于8 ℃,具體見(jiàn)表4。

表4 新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池正常溫度相關(guān)規(guī)定 單位:℃

通過(guò)對(duì)新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析可以看出,動(dòng)力電池溫度分布在23～33 ℃,同一時(shí)刻最大溫差為4 ℃,具體數(shù)據(jù)如圖1所示。從圖1可知,在目前的作業(yè)工況下,新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池溫度在規(guī)定范圍內(nèi),電池冷卻效果良好。

圖1 新0411機(jī)車(chē)動(dòng)力電池一個(gè)月溫度變化

4 動(dòng)力電池壽命評(píng)估

動(dòng)力電池壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩種。循環(huán)壽命指動(dòng)力電池容量降到某一規(guī)定值前,能反復(fù)充放電的次數(shù)[1];日歷壽命指電池在一定擱置條件下性能衰減至某個(gè)程度所用的時(shí)間[2-3]。本文依據(jù)磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命,結(jié)合新0411號(hào)機(jī)車(chē)作業(yè)和寫(xiě)實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力電池循環(huán)壽命進(jìn)行評(píng)估,然后再通過(guò)電池日歷壽命定義對(duì)電池的使用壽命進(jìn)行評(píng)估。

新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池SOC一個(gè)月累積增減量變化,如圖2所示。從圖2可知,一個(gè)月內(nèi)SOC累積增加528%,SOC累積減少500%,即全充放電循環(huán)次數(shù)約5次,按動(dòng)力電池2 000次循環(huán)壽命[4-5]計(jì)算,新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池使用壽命可達(dá)33 a,而新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池的日歷壽命為10 a,因此新0411號(hào)機(jī)車(chē)動(dòng)力電池的使用壽命為10 a。

圖2 SOC一個(gè)月內(nèi)累積增減量

5 節(jié)油效果分析

混合動(dòng)力機(jī)車(chē)節(jié)油主要體現(xiàn)在以下3方面:第一,機(jī)車(chē)待命時(shí),柴油機(jī)停機(jī),動(dòng)力電池工作,節(jié)省柴油機(jī)惰轉(zhuǎn)油耗;第二,當(dāng)動(dòng)力電池SOC下降到一定值,啟動(dòng)柴油機(jī)使其始終在燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)工作并為動(dòng)力電池充電,降低其燃油消耗;第三,機(jī)車(chē)制動(dòng)時(shí),制動(dòng)能量回收給電池充電[6]。

對(duì)于第一方面,根據(jù)新0411號(hào)機(jī)車(chē)擋位使用情況(見(jiàn)圖3),機(jī)車(chē)常用擋位集中在0、1、2、3擋位,惰轉(zhuǎn)(0擋位)時(shí)間最長(zhǎng),占總運(yùn)行時(shí)間的61.39%;4～7擋位基本不使用,僅在偶爾提高機(jī)車(chē)速度情況下使用。

圖3 擋位使用頻率

對(duì)于第二方面,由于新0411號(hào)機(jī)車(chē)無(wú)法統(tǒng)計(jì)柴油機(jī)在每個(gè)擋位下的具體工作時(shí)間,因此無(wú)法對(duì)新0411號(hào)機(jī)車(chē)在該方面的節(jié)油效果進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)于第三方面,新0411號(hào)機(jī)車(chē)工況:平均速度為7 km/h,最大坡度約為4‰。機(jī)車(chē)運(yùn)行速度低且線路坡道小,制動(dòng)能量回收可忽略不計(jì)。

故本文僅對(duì)機(jī)車(chē)惰轉(zhuǎn)時(shí)節(jié)油情況進(jìn)行分析。

5.1 惰轉(zhuǎn)耗電量分析

惰轉(zhuǎn)耗電量可由下式計(jì)算:

(5)

式中:Q0為0擋位惰轉(zhuǎn)耗電量,kW·h;Q為所有擋位耗電量,kW·h;T0為0擋位放電總時(shí)間,h;T為所有擋位放電總時(shí)間,h。

由圖2可知,新0411號(hào)機(jī)車(chē)單月SOC下降500%,換算成電量為1 050 kW·h,所有擋位放電總時(shí)間和0擋位放電總時(shí)間數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 放電時(shí)間統(tǒng)計(jì) 單位:h

通過(guò)式(5)計(jì)算,得新0411號(hào)機(jī)車(chē)單月惰轉(zhuǎn)耗電量為570 kW·h。

5.2 動(dòng)力電池充放電倍率統(tǒng)計(jì)分析

新0411號(hào)機(jī)車(chē)常用0～3擋位,對(duì)應(yīng)放電倍率如圖4所示。從圖中可以得知,動(dòng)力電池充放電倍率隨擋位增加而增加,0～3擋位電池的放電倍率范圍為0.02C～0.42C,其中C為電池本身容量,A·h/MA·h。

圖4 常用0～3擋位充放電倍率

5.3 節(jié)油率分析

新0411號(hào)機(jī)車(chē)惰轉(zhuǎn)工況下節(jié)油率w計(jì)算公式如下:

(6)

式中:L2為原東方紅5型0411機(jī)車(chē)惰轉(zhuǎn)需要油耗,L;L1為新0411號(hào)機(jī)車(chē)惰轉(zhuǎn)需要油耗,L。其中,原東方紅5型0411機(jī)車(chē)柴油機(jī)惰轉(zhuǎn)需要油耗L2為:

L2=?·T0

(7)

式中:?為原東方紅5型0411機(jī)車(chē)柴油機(jī)惰轉(zhuǎn)油耗率,L/h,?取值17.3 L/h[7]。經(jīng)計(jì)算可得L2為553.6 L。

新0411機(jī)車(chē)惰轉(zhuǎn)需要油耗L1計(jì)算公式如下:

L1=Q0/(η1η2ξ)

(8)

式中:η1為動(dòng)力電池充電效率,取值0.97;η2為動(dòng)力電池放電倍率,取值0.95;ξ為1 L燃油可發(fā)電量,取值3.5 kW·h/L。結(jié)合式(5),可得新0411號(hào)機(jī)車(chē)惰轉(zhuǎn)需要油耗為176.7 L。

綜合式(6)～(8),可得新0411號(hào)機(jī)車(chē)惰轉(zhuǎn)工況下節(jié)油率為68%。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)東方紅5型液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)改造為混合動(dòng)力機(jī)車(chē)運(yùn)用效果進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,改造后的東方紅5型新0411號(hào)混合動(dòng)力機(jī)車(chē)相對(duì)原液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)可節(jié)油68%,且其動(dòng)力電池冷卻性能良好,使用壽命可達(dá)10 a,驗(yàn)證了將液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)改造為混合動(dòng)力機(jī)車(chē)的技術(shù)是可行且成功的,機(jī)車(chē)各項(xiàng)性能達(dá)到要求且節(jié)油效果明顯,為今后其他型式液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)再造為混合動(dòng)力機(jī)車(chē)提供了數(shù)據(jù)參考和依據(jù)。