柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

齊洪峰，吳 健，張 弛，季 巧

（1 中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100070；2 北京交通大學(xué) 國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044）

調(diào)車機(jī)車是專門用于列車牽出、推峰、編組等調(diào)車作業(yè)的機(jī)車［1］，具有頻繁啟動(dòng)及停車的特點(diǎn)。調(diào)車機(jī)車負(fù)荷變化頻率高，運(yùn)行工況不穩(wěn)定，柴油機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)間平均只有10%左右，約50%的的時(shí)間處于空載或惰轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)［2］，這使得柴油機(jī)裝車功率遠(yuǎn)大于各工況下的平均運(yùn)行功率，導(dǎo)致大功率柴油機(jī)配置的浪費(fèi)。此外，載重的頻繁變化使得內(nèi)燃機(jī)車對(duì)燃油的利用效率低，導(dǎo)致能源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問(wèn)題。

為了改善傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)效益，柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車應(yīng)運(yùn)而生。柴電混合動(dòng)力指的是柴油發(fā)電機(jī)組與蓄電池系統(tǒng)共同作為動(dòng)力源，為機(jī)車提供能量。鑒于我國(guó)現(xiàn)保有的內(nèi)燃機(jī)車中，東風(fēng)（簡(jiǎn)稱DF）內(nèi)燃機(jī)車為主力車型，文中將參照其運(yùn)行工況對(duì)柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行合理配置，實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能、降噪的目的。

1 柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車工作原理

1.1 柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車的電傳動(dòng)系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)組、車載動(dòng)力電池組、整流器、雙向DC/DC變換器、牽引逆變器、輔助變流器、機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

牽引工況下，柴油發(fā)電機(jī)組將燃油的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)由整流器向中間直流環(huán)節(jié)供電；車載動(dòng)力電池組將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)雙向DC/DC變換器，與柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組作為雙動(dòng)力源為調(diào)車機(jī)車的運(yùn)行及輔助系統(tǒng)提供能量。制動(dòng)工況下，機(jī)車再生制動(dòng)的能量反饋至中間直流母線上，由機(jī)車輔助系統(tǒng)和動(dòng)力電池組吸收，若制動(dòng)能量無(wú)法全部回收，則由電阻或機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能消耗。

1.2 柴電混合調(diào)車機(jī)車的功率流動(dòng)

柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車功率流動(dòng)如圖2所示，其中紅色箭頭表示能量可以雙向流動(dòng)。

圖2 混合動(dòng)力系統(tǒng)功率流動(dòng)示意圖

圖中，Pes為車載動(dòng)力電池組經(jīng)雙向DC/DC變換器后的輸出功率；PDG為柴油發(fā)電機(jī)組提供的功率；PM為中間直流環(huán)節(jié)母線功率；Ptr為折算到中間直流環(huán)節(jié)的列車運(yùn)行需求功率；PSIV為輔助系統(tǒng)功率；Pw為機(jī)車輪周功率。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，柴油機(jī)在負(fù)荷率越高時(shí)，油耗率越低。負(fù)荷率反映的是柴油機(jī)工作的平均功率。為了提高節(jié)油率，使柴油機(jī)盡可能只在額定功率下工作，需保證只要其啟動(dòng)，就工作在最佳工作點(diǎn)即滿負(fù)荷工作點(diǎn)。因此采用如下控制方案：牽引工況下，當(dāng)牽引及輔助功率小于柴油機(jī)滿負(fù)荷功率時(shí)，由動(dòng)力電池系統(tǒng)提供功率；當(dāng)牽引及輔助功率大于柴油機(jī)滿負(fù)荷功率時(shí)，柴油機(jī)啟動(dòng)并滿負(fù)荷工作，不足的功率由動(dòng)力電池系統(tǒng)補(bǔ)充。制動(dòng)工況下，制動(dòng)能量由動(dòng)力電池完全吸收。當(dāng)動(dòng)力電池SOC較低時(shí)，柴油機(jī)滿負(fù)荷啟動(dòng)為動(dòng)力電池充電。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)建模

2.1 柴油機(jī)模型

柴油發(fā)電機(jī)組的建?？梢苑譃樵囼?yàn)建模與理論建模2種方法［3-4］，文中是從大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取出能夠代表柴油發(fā)電機(jī)組各種工作特性的數(shù)據(jù)，采用萬(wàn)有特性圖（Map圖）進(jìn)行的試驗(yàn)建模［3-5］。由于重點(diǎn)關(guān)注燃油消耗減少帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性的改善，因此只針對(duì)燃油消耗部分建模。根據(jù)機(jī)車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的油耗數(shù)據(jù)，建立8240ZJS柴油機(jī)的萬(wàn)有特性曲線如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線

不考慮溫度修正情況下的理論燃油消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗特性關(guān)系為式（1）：

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)也采取試驗(yàn)建模的方法，通過(guò)插值選取每個(gè)輸出功率下的最小耗油率所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)，作為發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)工作曲線［5-7］。

2.2 電池模型

2.2.1 電池電路模型

現(xiàn)有的動(dòng)力電池等效電路模型主要包括：內(nèi)阻模型，PNGV模型，Thevenin模型和n階RC模型［8-9］。結(jié)合文中的研究重點(diǎn)，模型的準(zhǔn)確程度以及仿真時(shí)長(zhǎng)，單體動(dòng)力電池Thevenin模型如圖4所示［9］。該模型不僅能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)動(dòng)力電池在實(shí)際使用過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性，而且模型所需的電池相關(guān)參數(shù)較少，便于仿真計(jì)算。

圖4 單體動(dòng)力電池Thevenin模型

其中，VOCV為電池開路電壓；Rp與Cp為電池的極化內(nèi)阻與極化電容；Ro為電池的歐姆內(nèi)阻；Vp為電池的極化電壓；Ib為電池電流；Vo為電池端電壓。

利用基爾霍夫電壓及電流定律可得式（2）、式（3）：

通過(guò)電路暫態(tài)分析，可得動(dòng)力電池端電壓與電流方程為式（4）：

對(duì)于動(dòng)力電池荷電狀態(tài)（SOC），則采用安時(shí)積分法求解為式（5）：

式中：SOC（t）為t時(shí)刻電池的荷電狀態(tài)；Q為電池的容量；SOC（0）為電池初始SOC。

2.2.2 電池壽命模型

電池系統(tǒng)的有效壽命利用其全壽命期能量吞吐量和每日能量吞吐量間關(guān)系特性來(lái)計(jì)算為式（6）：

式中：Ylife為電池組有效使用壽命；EB為電池系統(tǒng)配置的額定能量；η為壽命折損系數(shù)，取0.72，為電池DOD與車載電池壽命周期平均衰減系數(shù)之積；NB為電池在特定DOD下的循環(huán)使用次數(shù)；Edaily為電池系統(tǒng)每日能量吞吐總量，根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算平均得到。

電池系統(tǒng)的回收年限Yrecovery，由下式可得式（7）：

式中：CI為電池成本；Cyear為年均節(jié)油費(fèi)用。

考慮電池日歷壽命和內(nèi)燃機(jī)車C6修程，將動(dòng)力電池系統(tǒng)的更換周期確定為10 a。在10 a的服役壽命需求下，電池組的實(shí)際服役壽命YD為式（8）：

式中：Y為電池更換周期，10 a。

3 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

對(duì)比參照DF系列的內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車運(yùn)行工況及相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)3 000 hp（2 237 kW）柴電混合調(diào)車機(jī)車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行配置。

3.1 柴油機(jī)的選取

調(diào)車機(jī)車進(jìn)行作業(yè)時(shí)，長(zhǎng)期處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，機(jī)車負(fù)載率低，導(dǎo)致燃油燃燒效率低下［4］。為了提高調(diào)車機(jī)車節(jié)油率，柴油機(jī)功率應(yīng)接近運(yùn)行平均功率，平均功率之外的負(fù)載變化功率由車載儲(chǔ)能系統(tǒng)提供。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)油率的充分對(duì)比分析，根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目要求，文中選擇現(xiàn)有技術(shù)成熟且運(yùn)用廣泛的型號(hào)為8240ZJS的柴油機(jī)，其額定功率為1 324 kW，發(fā)電機(jī)組輸出功率為1 250 kW，其油耗特性數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 8240ZJS柴油機(jī)油耗特性曲線

3.2 電池系統(tǒng)配置

參照DF系列內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)，柴電混合調(diào)車機(jī)車的中間直流環(huán)節(jié)額定電壓為1 500 V［10］。為了保證雙向DC/DC變換器正常工作，選取動(dòng)力電池組端電壓為1 104 V。選取功率型鈦酸鋰電池（功率型LTO）、能量型鈦酸鋰電池（能量型LTO）、磷酸鐵鋰電池（LFP）3種類型電池來(lái)進(jìn)行電池系統(tǒng)方案比選，備選電池參數(shù)見表1。

表1 3種鋰電池基本性能參數(shù)表

配置車載儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，首先通過(guò)調(diào)車機(jī)車在作業(yè)時(shí)的功率需求推算動(dòng)力電池系統(tǒng)的峰值功率需求，以此計(jì)算出3種類型電池所需的能量配置，再結(jié)合各個(gè)工況下的能量需求，對(duì)比分析各種電池的性能特性和經(jīng)濟(jì)性，以確定動(dòng)力電池的種類選取和具體配額。由于文中設(shè)計(jì)的3 000 hp（2 237 kW）調(diào)車機(jī)車輪周功率為2 200 kW，柴油發(fā)電機(jī)組輸出功率PDG為1 250 kW，輔助系統(tǒng)功率PSIV為142 kW，機(jī)車傳動(dòng)效率η取0.866 5。

牽引加速階段，動(dòng)力電池系統(tǒng)放電峰值功率為：

制動(dòng)停車階段，動(dòng)力電池系統(tǒng)充電峰值功率為：

為了匹配峰值功率需求，可由Pbatt，T與Pbatt，B的最大值1 764.3 kW作為電池系統(tǒng)的最小功率配置，則動(dòng)力電池系統(tǒng)可以完全回收機(jī)車再生制動(dòng)能量。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得到3種類型電池的配置邊界見表2。

表2 電池系統(tǒng)配置邊界

4 仿真與分析

4.1 基于MATLAB模型的仿真圖形

調(diào)車機(jī)車的調(diào)車作業(yè)包括牽出、編組、推峰及小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)。

小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)下，調(diào)車機(jī)車長(zhǎng)時(shí)間工作在高負(fù)荷工況下，此時(shí)需柴油發(fā)電機(jī)組和電池共同輸出功率，此工況下，機(jī)車?yán)m(xù)航里程與電池裝機(jī)容量密切相關(guān)。另外，在機(jī)車實(shí)際運(yùn)行功率與機(jī)車額定功率越接近時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)不能充分發(fā)揮功率調(diào)節(jié)作用，節(jié)油效果不明顯，因此，柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車應(yīng)避免小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)模式，此工況適合用干線內(nèi)燃機(jī)車做牽引運(yùn)行［11］。文中僅對(duì)牽出、編組及推峰工況做仿真分析，單程作業(yè)具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 3種工況的單程運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，3種工況的占比分別為25%、50%、25%，設(shè)定柴電混合調(diào)車機(jī)車每日進(jìn)行3種載重的牽出作業(yè)各1趟、編組作業(yè)6趟、推峰作業(yè)3趟，仿真得到該混合工況下母線上的需求功率如圖6所示。

圖6 柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在混合工況下的母線需求功率

由圖6可得，完成設(shè)定混合工況所需時(shí)間約為13.75 h，處于牽引工況下，機(jī)車加速至恒功率區(qū)時(shí)，母線功率能達(dá)最大值，全程平均功率為215.814 kW，小于選定柴油機(jī)的額定功率，且柴油機(jī)額定功率滿足最惡劣工況（載重6 000 t，速度為20 km/h）下勻速運(yùn)行的功率需求，驗(yàn)證柴油機(jī)選擇合理。

3種類型電池系統(tǒng)在混合工況下的SOC變化曲線如圖7所示。

圖7 3種電池系統(tǒng)在混合工況下SOC變化曲線

電池系統(tǒng)放電時(shí)SOC曲線下降，柴油發(fā)電機(jī)組給電池系統(tǒng)充電及回收制動(dòng)能量時(shí)SOC曲線上升。對(duì)比可知，功率型LTO充放電倍率大，SOC變化迅速，所需充電次數(shù)最多；能量型LTO能量密度較大，同種工況下，SOC下降的斜率和幅度較??；LFP能量密度最大，續(xù)航能力明顯優(yōu)于其余2種。在設(shè)定工況運(yùn)行結(jié)束后，柴油發(fā)電機(jī)組以額定功率給電池系統(tǒng)充電，使運(yùn)行始末電池系統(tǒng)SOC相等，便于進(jìn)行油耗對(duì)比。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

4.2.1 油耗分析

由于電池系統(tǒng)能夠完全吸收制動(dòng)能量，與DF7型內(nèi)燃機(jī)車相比，3種配置的柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在各工況下的油耗和節(jié)油率相同，如圖8所示。

圖8 各工況下單程油耗數(shù)據(jù)

由于選取的小功率柴油機(jī)只運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)，并且動(dòng)力電池系統(tǒng)能夠完全吸收制動(dòng)能量，柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在各工況下的耗油量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車。在設(shè)定的混合工況下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車DF7的油耗為665.98 L，柴電混合調(diào)車機(jī)車的油耗為417.424 1 L，節(jié)油率為37.32%，其中吸收制動(dòng)能量節(jié)省燃油約12.29 L，占總節(jié)省油耗的4.94%。

4.2.2 綜合對(duì)比

參照DF7全年運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)，計(jì)算動(dòng)力電池系統(tǒng)生命周期內(nèi)的節(jié)省費(fèi)用，并將3種類型電池配置的經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)綜合，見表4。

表4 3種電池系統(tǒng)綜合對(duì)比

對(duì)3種類型電池系統(tǒng)配置進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤芍?，功率型LTO電池系統(tǒng)初始成本低，回收年限短，生命周期內(nèi)節(jié)省費(fèi)用最高；能量型LTO和LFP電池系統(tǒng)續(xù)航能力強(qiáng)，在生命周期內(nèi)也能節(jié)省一定費(fèi)用，但初始投入成本高、回收年限長(zhǎng)，且電池系統(tǒng)的體積與質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于功率型LTO電池系統(tǒng)?？紤]到工程項(xiàng)目實(shí)際要求，調(diào)車機(jī)車配置動(dòng)力電池系統(tǒng)的空間有限。綜合以上因素，在選取輸出功率1 250 kW的8240ZJS型柴油機(jī)的前提下，配置252.043 kW?h的功率型LTO電池組作為3 000 hp（2 237 kW）柴電混合調(diào)車機(jī)車的動(dòng)力系統(tǒng)為最佳方案。

5 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)的方案。根據(jù)調(diào)車機(jī)車日常運(yùn)行的平均功率，首先確定柴油機(jī)的配置，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率應(yīng)大于該平均功率，并保證在惡劣工況下，能夠單獨(dú)提供調(diào)車機(jī)車勻速運(yùn)行時(shí)的母線需求功率，選取滿足上述2個(gè)條件的小功率型柴油機(jī)。配置車載儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，先通過(guò)調(diào)車機(jī)車進(jìn)行作業(yè)時(shí)的功率需求推算動(dòng)力電池系統(tǒng)的峰值功率需求，以此確定各個(gè)類型電池系統(tǒng)所需的能量配置，再結(jié)合不同工況下的能量需求，對(duì)比分析各種電池的性能特性和經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合工程實(shí)際綜合考慮動(dòng)力電池的種類選取。

針對(duì)3 000 hp（2 237 kW）柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車，最終選定252.043 kW?h的功率型鈦酸鋰電池配置混合比為58.53%的動(dòng)力系統(tǒng)。該方案可以充分匹配調(diào)車機(jī)車在牽出、推峰、編組及混合工況4種作業(yè)模式下10 a的服役需求；在各個(gè)工況下，柴油發(fā)電機(jī)組只運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)，減少了燃油消耗量，達(dá)到節(jié)油率30%的目標(biāo)；電池系統(tǒng)的電壓能夠保證雙向DC/DC變換器安全正常工作、電流能夠滿足電池的充放電倍率需求、SOC始終保持在10%～80%區(qū)間，驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)配置合理；動(dòng)力電池系統(tǒng)在生命周期內(nèi)節(jié)省的費(fèi)用可觀，能夠完全吸收制動(dòng)反饋能量，在提升經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目的。

由于實(shí)際工程項(xiàng)目需要，文中選取了輸出功率1 250 kW的8240ZJS型柴油機(jī)，然而仿真結(jié)果表明，調(diào)車機(jī)車運(yùn)行平均功率遠(yuǎn)小于該值，在一定程度上造成柴油機(jī)配置的浪費(fèi)，這說(shuō)明在設(shè)計(jì)3 000 hp（2 237 kW）柴電混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，在滿足機(jī)車在惡劣工況下勻速運(yùn)行功率需求條件下，可以考慮采用輸出功率更小的柴油發(fā)電機(jī)組，不僅可以提升節(jié)油率，還能節(jié)省柴油機(jī)購(gòu)置成本，獲得更佳的經(jīng)濟(jì)效益。