電傳動混合驅(qū)動系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

王秀波 張永超

摘 要：內(nèi)燃電傳動系統(tǒng)、蓄電池電傳動系統(tǒng)已在鐵路領(lǐng)域大面積應(yīng)用，文章介紹了2種系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀、國內(nèi)鐵路的環(huán)境條件，通過內(nèi)燃電傳動系統(tǒng)和蓄電池電傳動系統(tǒng)混合驅(qū)動與單一內(nèi)燃動力傳動系統(tǒng)的對比分析，得出電傳動混合驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計具有明顯優(yōu)勢。同時為適應(yīng)長大坡道線路，該設(shè)計在 GCD-100Ⅱ型混合動力軌道工程車上成功進行應(yīng)用，表明電傳動混合系統(tǒng)在提升工程車運用范圍和節(jié)能環(huán)保方面，與單一內(nèi)燃動力傳動系統(tǒng)相比，也具有明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：鐵路;工程車;電傳動;混合驅(qū)動;節(jié)能環(huán)保

中圖分類號：U273

隨著我國鐵路快速發(fā)展，長大坡道線路層出不窮，尤其川藏區(qū)域線路大多屬于長大坡道線路，且藏區(qū)線路具有高海拔、空氣稀薄、晝夜溫差大、風沙大等環(huán)境特點。傳統(tǒng)軌道工程車傳動效率低、傳動型式單一、互換性差，在藏區(qū)長大下坡道運行時制動力弱。而在隧道內(nèi)運行及作業(yè)時存在發(fā)動機排放污染重、噪聲大等問題。因此，擬研究一種集內(nèi)燃電傳動和蓄電池電傳動于一體的混合驅(qū)動系統(tǒng)，既可實現(xiàn)隧道外高速運行，也可滿足于隧道內(nèi)“綠色”運行的需求。該設(shè)計在鐵路軌道工程車領(lǐng)域尚屬首次，未來有著極大的發(fā)展空間及技術(shù)前景。

1 現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)內(nèi)燃電傳動或混合電傳動研究應(yīng)用現(xiàn)狀

通過技術(shù)調(diào)研及查詢相關(guān)資料，國內(nèi)主要有以下幾種內(nèi)燃電傳動或混合電傳動系統(tǒng)。

（1）中車長春軌道客車股份有限公司研制開發(fā)的接觸網(wǎng)、動力包和儲能裝置混合供電的動車組牽引系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用接觸網(wǎng)供電+內(nèi)燃交流供電+電容電阻儲能裝置供電的混合供電模式，其中接觸網(wǎng)供電用于動車組正常運行及生活用電，內(nèi)燃交流供電用于動車組應(yīng)急運行及生活用電，電容電阻儲能裝置用于動車組內(nèi)燃交流供電模式下的制動能量收集、運行時的能量補充和生活用電。

（2）中車戚墅堰機車有限公司研制開發(fā)的基于四象限變流器實現(xiàn)交流供電的內(nèi)燃機車。該系統(tǒng)采用單獨大功率發(fā)電機組供電，大功率發(fā)電機組用于整車正常運行和生活用電。

（3）廣州電力機車有限公司研制的利用超級電容的動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用超級電容供電，超級電容用于整車正常運行和生活用電。

（4）中車資陽機車有限公司研制開發(fā)的大功率內(nèi)燃-電力雙動力源干線機。該車由3節(jié)車組成，采用接觸網(wǎng)供電+內(nèi)燃交流供電，其中接觸網(wǎng)供電用于機車在電氣化線路的正常運行及生活用電，內(nèi)燃交流供電用于機車在非電氣化線路的運行及生活用電。

（5）中車大連機車研究所有限公司研制開發(fā)的HXN3C混合動力調(diào)車機。該車采用內(nèi)燃交流供電+蓄電池供電，其中內(nèi)燃交流供電用于機車的正常運行及生活用電，蓄電池供電主要用于機車的應(yīng)急運行及生活用電。

（6）中車資陽機車有限公司研制開發(fā)的HXN6型混合動力調(diào)車機。該車采用內(nèi)燃交流供電+蓄電池供電，其中內(nèi)燃交流供電用于機車的正常運行及生活用電，蓄電池供電用于調(diào)車運行及生活用電。

（7）中車株洲電力機車研究所有限公司研制開發(fā)的地鐵蓄電池工程車。該車采用接觸網(wǎng)供電+蓄電池供電，接觸網(wǎng)供電用于驅(qū)動整車運行，蓄電池供電用于接觸網(wǎng)斷電時的整車運行、作業(yè)及生活用電。

1.2 軌道工程車的應(yīng)用環(huán)境及應(yīng)用工況

軌道工程車是適用于中國鐵路全路的自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備，通過對比分析，青藏線路的應(yīng)用環(huán)境在全路最為惡劣，因此對青藏線路的環(huán)境條件及整車運用工況進行介紹。

（1）青藏線地處高原地區(qū)，海拔≥4000m，環(huán)境溫度-30～+ 45℃。

（2）青藏線地勢落差大，普遍為≥25‰（甚至達到33‰）的長坡道。

（3）青藏線電氣化線路占比約60%。

（4）軌道工程車主要用于供電接觸網(wǎng)的維護、工務(wù)線路和橋隧的維護，供電接觸網(wǎng)維護和工務(wù)橋隧維護時接觸網(wǎng)斷電，且維護“天窗”時間約3h。

2 電傳動混合驅(qū)動系統(tǒng)方案

根據(jù)以上應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)資料查詢，電傳動已廣泛應(yīng)用于鐵路機車領(lǐng)域，混合電傳動也逐步應(yīng)用于鐵路機車及動車領(lǐng)域。

通過應(yīng)用環(huán)境條件及工況分析，研究開發(fā)一種可在非電氣化區(qū)段高速運行，在隧道內(nèi)無污染、低噪聲“綠色”運行，且配備空氣制動+電阻制動（僅電傳動可配備），并滿足長大下坡道制動需求的內(nèi)燃電傳動+蓄電池電傳動的混合驅(qū)動系統(tǒng)，是滿足當下全路軌道工程車正常運用的最優(yōu)方案。

2.1 系統(tǒng)組成及布置

電傳動混合驅(qū)動系統(tǒng)主要由4個輪對、4個牽引電機、2套發(fā)電機、2 套柴油機、動力蓄電池和牽引變流器等組成。系統(tǒng)組成及布置如圖1所示。

2.2 動力傳遞方式

電傳動混合驅(qū)動系統(tǒng)的動力傳遞有以下3種方式。

（1）軌道工程車由柴油機作為動力驅(qū)動（圖2）。該方式動力傳遞路線適用于工程車隧道外運行時，由柴油機輸出端驅(qū)動發(fā)電機，產(chǎn)生交流電，通過牽引變流器整流，逆變?yōu)榉€(wěn)定的380V交流電，供牽引電機驅(qū)動輪對、供電動泵站驅(qū)動作業(yè)裝置、供電動空壓機給空氣制動系統(tǒng)充風、供電動機驅(qū)動散熱風扇及供空調(diào)、燈、電暖器、插座等用電。滿足整車運行、作業(yè)、制動、散熱及生活需求;滿足軌道工程車隧道外以≥120 km/h的速度高速運行及作業(yè)的需求。

（2）軌道工程車由蓄電池作為動力驅(qū)動（圖3）。該方式適用于工程車隧道內(nèi)運行，由動力蓄電池產(chǎn)生直流電，通過牽引變流器整流、逆變?yōu)榉€(wěn)定的380V交流電，供牽引電機驅(qū)動輪對、供電動泵站驅(qū)動作業(yè)裝置、供電動空壓機給空氣制動系統(tǒng)充風、供電動機驅(qū)動散熱風扇及供空調(diào)、燈、電暖器、插座等用電。滿足整車運行、作業(yè)、制動、散熱及生活需求;滿足工程車隧道內(nèi)以≤40km/h的速度運行及作業(yè)的需求。

（3）軌道工程車由柴油機及動力蓄電池混合作為動力驅(qū)動（圖4）。該方式適用于軌道工程車全線（隧道外與隧道內(nèi)）運行時，由柴油機輸出端驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生的交流電及動力蓄電池產(chǎn)生的直流電，通過牽引變流器整流、逆變?yōu)榉€(wěn)定的380V交流電，供牽引電機驅(qū)動輪對、供電動空壓機給空氣制動系統(tǒng)充風、供電動機驅(qū)動散熱風扇及供空調(diào)、燈、電暖器、插座等用電。滿足整車長距離和大坡道運行、制動、散熱及生活需求;滿足工程車在33‰ 坡道以≥78km/h的速度運行及作業(yè)的需求。

2.3 傳動效率

軌道工程車采用不同驅(qū)動系統(tǒng)的效率如下：①柴油機驅(qū)動效率：96%（發(fā)電機組，即柴油機+發(fā)電機）×99%（牽引變流器）×95%（輪對）≈90.288%;② 蓄電池驅(qū)動效率：99%（蓄電池）×99%（牽引變流器）×95%（輪對）≈93.1095%;③柴油機及蓄電池共同驅(qū)動效率：96%（發(fā)電機組，即柴油機+發(fā)電機）×99%（蓄電池）×99%（牽引變流器）×95%（輪對）≈89.385%;④液力傳動效率：86%（液力傳動箱效率）×99%（傳動軸效率）×95%（車軸齒輪箱效率）≈80.883%。

通過以上分析，軌道工程車采用電傳動混合驅(qū)動系統(tǒng)（柴油機、蓄電池或共同驅(qū)動）具有明顯的效率優(yōu)勢。

3 動力牽引性能

根據(jù)GB/T 10082-2010《重型軌道車技術(shù)條件》及TB/T 2180-2018《電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車》的要求，鐵路軌道車、作業(yè)車等軌道工程車最大軸重23t，則整車最大重量≤23t，預(yù)設(shè)安全余量，單機按照90t計算，本系統(tǒng)（四軸車輛）動力采用柴油機、蓄電池及混合驅(qū)動時的牽引特性曲線如圖5所示。

系統(tǒng)動力采用柴油機、蓄電池及混合驅(qū)動時的牽引特性數(shù)據(jù)如表 1所示。

4 動力蓄電池

4.1 蓄電池性能分析

相比鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鈦酸鋰、鈷酸鋰等類型的蓄電池和超級電容，磷酸鐵鋰動力電池能量密度高，允許的放大電流大，高溫性能優(yōu)異，且安全可靠，性價比高。國內(nèi)外研發(fā)的混合動力機車蓄電池多選用磷酸鐵鋰動力電池作為機車的儲能裝置。

本系統(tǒng)動力蓄電池采用磷酸鐵鋰電池，電池充電溫度范圍為-20～55℃，其中-20～0℃是在車輛制動時的反饋充電范圍，0～55℃是蓄電池的正常充電范圍;放電范圍是-30～60℃（滿足青藏線路的環(huán)境溫度）。因此，根據(jù)蓄電池的充放電范圍和溫升情況，增加電暖器輔助加熱（寒冷環(huán)境）和空調(diào)降溫（溫熱環(huán)境）措施，以提高蓄電池的充放電安全性能和效率。不同溫度下動力電池電壓與剩余電量（SOC）的關(guān)系如圖6所示，不同溫度下電池溫升與SOC的關(guān)系如圖7所示。

4.2 節(jié)能環(huán)保分析

雙動力系統(tǒng)（2臺柴油機+ 2臺發(fā)電機）工程車在隧道內(nèi)運行、作業(yè)時，采用蓄電池作為驅(qū)動動力。相比傳統(tǒng)單一內(nèi)燃動力傳動系統(tǒng)（全程采用柴油機）驅(qū)動整車在隧道內(nèi)運行或作業(yè)，可大量減少柴油消耗以及污染物排放。

4.2.1 柴油機燃油消耗、污染物排放及噪聲分析

假設(shè)單一內(nèi)燃動力傳動系統(tǒng)車輛采用2臺QSK19型柴油發(fā)動機運行、作業(yè)，柴油機最大運行轉(zhuǎn)速為1800r/min，在最高燃油消耗工況下，隧道內(nèi)運行及作業(yè)每天3h，每月出車20天，全年12個月均出車，燃油消耗、污染物排放及噪聲情況如下。

（1）柴油機燃油消耗。QSK19型柴油發(fā)動機燃油消耗及功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖8、圖9所示?？梢钥闯鲕囕v以最高運行速度（即轉(zhuǎn)速1800r/min）運行時，柴油機最大燃油消耗率約225g / kW · h，柴油機最大燃油功率約522 kW，車輛消耗的柴油價值為：

5 結(jié)語

目前，該設(shè)計系統(tǒng)已應(yīng)用于GCD-100Ⅱ型混合動力軌道車。該車主要用于青藏線鐵路施工、物料牽引和運輸，也可用于鐵路施工異常救護，最高運行速度120km/h，隧道內(nèi)采用蓄電池驅(qū)動、運行及作業(yè)，最高運行速度40 km/h，運行軸列式為B0-B0。

電傳動混合驅(qū)動系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單一內(nèi)燃驅(qū)動軌行機械相比，可適應(yīng)多種環(huán)境條件及工況下的運行及作業(yè)需求，大幅提升了工程的應(yīng)用范圍，能夠有效提高運行能效、降低燃油消耗、減少污染物排放、降低噪聲污染，能夠有效的改善隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，是適應(yīng)軌道工程車節(jié)能環(huán)保要求的有效工程設(shè)備。

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收稿日期 2019-04-16

責任編輯 司玉林