混合動力技術(shù)在重型軌道車的研究與應(yīng)用

貝紅斌 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海工務(wù)大修段

1 概述

由于重型軌道車受柴油機(jī)裝機(jī)功率不超過1 000 kW 限制，在長編組養(yǎng)路機(jī)械轉(zhuǎn)場、鐵路基地內(nèi)長軌車調(diào)車作業(yè)時需要多輛重型軌道車或機(jī)車牽引。多輛重型軌道車編組作業(yè)，對人員配置要求高，且調(diào)車作業(yè)較為繁瑣。長期租借機(jī)車作業(yè)，則成本太高，不具經(jīng)濟(jì)可行性。2018 年中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海工務(wù)大修段與寶雞中車時代工程機(jī)械有限公司合作開發(fā)長編組養(yǎng)路機(jī)械牽引軌道車，它采用“柴油發(fā)電機(jī)組+動力蓄電池組”為動力源的混合動力技術(shù)，其整車功率可達(dá)3 000 馬力，屬于國內(nèi)重型軌道車領(lǐng)域的創(chuàng)新型、節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品。它可有效解決純內(nèi)燃重型軌道車造成的嚴(yán)重噪聲污染、廢氣污染等環(huán)境問題，同時具有功率大，持續(xù)牽引力大、制動性能可靠、操縱輕便靈活、使用壽命長、運(yùn)行穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計思路

2.1 運(yùn)用工況

新研發(fā)的重型軌道車將主要用來進(jìn)行基地內(nèi)調(diào)車作業(yè)和牽引長編組養(yǎng)路機(jī)械轉(zhuǎn)場作業(yè)。它應(yīng)滿足這兩種作業(yè)方式的極限工況下的牽引能力。這兩種作業(yè)方式的極限工況對重型軌道車的牽引能力要求如下：

（1）調(diào)車作業(yè)

基地內(nèi)牽引500 m長軌車（43輛車，約3 000 t），在平直道最大運(yùn)行速度不超過40 km/h，且能在6‰坡道上以不低于5 km/h速度調(diào)車。

（2）轉(zhuǎn)場作業(yè)

牽引20輛編組養(yǎng)路機(jī)械（約1 630 t），在平直道上最大運(yùn)行速度不超過80 km/h，且能在15‰坡道起動。

2.2 技術(shù)路線

根據(jù)上述車輛運(yùn)用工況對重型軌道車牽引能力的要求，進(jìn)行牽引計算。計算結(jié)果表明：

① 單機(jī)牽引20輛編組養(yǎng)路機(jī)械（約1 630 t）進(jìn)行轉(zhuǎn)場作業(yè)，在平直道上以80 km/h 速度運(yùn)行時，所需牽引功率最大。該工況下，重型軌道車的整車功率應(yīng)至少為P=1467 kW；

② 單機(jī)牽引20輛編組養(yǎng)路機(jī)械（約16 30 t）進(jìn)行轉(zhuǎn)場作業(yè)，在15‰坡道上起步時，所需起動牽引力最大。該工況下，重型軌道車的起動牽引力F=358.41 kN。

根據(jù)牽引計算結(jié)果，重型軌道車最大極限工況下的牽引功率為P=1467 kW。然而，GB/T10082《重型軌道車技術(shù)條件》要求重型軌道車柴油機(jī)裝機(jī)功率應(yīng)不超過1 000 kW，所以不能采用傳統(tǒng)的純內(nèi)燃動力驅(qū)動方式，必須采用混合動力驅(qū)動方式，即“柴油發(fā)電機(jī)組+動力蓄電池組”方式。

根據(jù)牽引計算結(jié)果，重型軌道車最大極限工況下的起動牽引力為F=358.41 kN，考慮黏著系數(shù)為0.33 及黏著牽引力應(yīng)大于起動牽引力，故重型軌道車總重至少為G=358.41/0.33/9.8=110.8 t。

如果軌道車采用兩個二軸轉(zhuǎn)向架，則軸重為G軸重=27.7 t，將超出軸重不大于23 t 的要求。因此，軌道車必須采用兩個三軸轉(zhuǎn)向架。

考慮到該軌道車應(yīng)能代替DF4B型內(nèi)燃機(jī)車來進(jìn)行基地內(nèi)調(diào)車作業(yè)，因此，其整車功率應(yīng)對標(biāo)DF4B型內(nèi)燃機(jī)車，可定位為3 000馬力，即2 200 kW。

綜上所述，該重型軌道車應(yīng)為3 000 馬力的油電混合動力六軸車。

3 總體方案

3.1 總體布置

混合動力軌道車主要由車體鋼結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架、制動系統(tǒng)、電傳動系統(tǒng)、輔助電氣設(shè)備、車鉤及緩沖裝置等組成。車內(nèi)分成前司機(jī)室、休息室、大設(shè)備室、小設(shè)備室和后司機(jī)室，共五個區(qū)域。車內(nèi)設(shè)有中間走廊貫通前、后端司機(jī)室。大設(shè)備室內(nèi)的一側(cè)從前到后依次為牽引通風(fēng)機(jī)、制動柜、壓縮機(jī)、風(fēng)缸組成、干燥器、輔助逆變器、動力蓄電池組，另一側(cè)從前到后依次為動力蓄電池組、高壓電氣柜、牽引逆變器、牽引通風(fēng)機(jī)。

車下中間位置設(shè)有燃油箱，其兩側(cè)設(shè)有斜對稱布置的兩套柴油發(fā)電機(jī)組，包括主發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)動機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等。兩套柴油發(fā)電機(jī)組互為冗余設(shè)計，可保障任一機(jī)組故障時仍然可以行車至維修區(qū)域。車下走行部采用兩臺三軸轉(zhuǎn)向架。

混合動力軌道車總體布置見圖1。

圖1 混合動力軌道車總體布置

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

混合動力軌道車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 混合動力軌道車主要技術(shù)參數(shù)

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 整車集成技術(shù)

混合動力軌道車整車集成采用機(jī)車設(shè)計理念和技術(shù)，整車布局采用斜對稱布置，提升整車受力狀態(tài)；車體采用整體承載結(jié)構(gòu)，提升承載能力的同時又實(shí)現(xiàn)輕量化；采用油電混合動力和控制系統(tǒng)等先進(jìn)成熟技術(shù)，減少燃料消耗，更加節(jié)能環(huán)保；采用三軸動力轉(zhuǎn)向架，提供足夠大的起動牽引力，提升爬坡牽引能力；采用電-空制動系統(tǒng)，滿足長大坡道列車制動，減少沖擊；車體綱結(jié)構(gòu)和整車使用壽命可達(dá)30年。

混合動力軌道車在設(shè)計上從整車到重要零部件、電路布線、管路裝配等全過程采用Creo軟件參數(shù)化三維協(xié)同設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體造型、裝配模擬等，有效提高設(shè)計質(zhì)量。同時應(yīng)用ANSYS仿真分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形仿真分析；并應(yīng)用SIMPACK 進(jìn)行整車動力學(xué)仿真分析，確保整車性能等。

4.2 混合動力配置

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)高速發(fā)展，能源和環(huán)境對人類生活和社會發(fā)展的影響越來越大，節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)越來越受到各行業(yè)的重視。

蓄電池技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，成本的不斷降低，能量密度比、體積比、重量比的持續(xù)提升，使得動力電池在軌道交通機(jī)車車輛裝車使用成為可能。動力電池在軌道交通機(jī)車上的裝車，尤其是在內(nèi)燃機(jī)車上的應(yīng)用，具備明顯優(yōu)勢，一方面可以補(bǔ)充內(nèi)燃柴油發(fā)電機(jī)組動力的不足，大幅降低柴油機(jī)裝車功率要求，牽引車設(shè)計可以選擇小型柴油機(jī)，降低排放；另一方面，可以回收牽引電機(jī)制動反饋能量，更好地滿足重型軌道車短周期作業(yè)要求，減少柴油機(jī)怠速等待時間，整車應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性得到增強(qiáng)。

（1）混合動力的匹配

①功率匹配原則

根據(jù)上述分析，為滿足GB/T10082《重型軌道車技術(shù)條件》規(guī)定的柴油機(jī)裝機(jī)功率不超過1 000 kW，又能夠滿足長編組養(yǎng)路機(jī)械牽引軌道車整車功率約2 200 kW 的要求，研究方案為：柴油機(jī)功率設(shè)定為允許的最大值1 000 kW，其余不足的功率將由牽引動力蓄電池組來補(bǔ)充。按照動力蓄電池組能以1 200 kW 功率持續(xù)放電1 小時來計算，動力蓄電池組的容量設(shè)定為1 200 kW·h ，從而使重型軌道車在以混合動力驅(qū)動的模式下，達(dá)到整機(jī)功率約2 200 kW。

②動力匹配原則

混合動力軌道車整機(jī)采用交流電傳動方式，兩臺3 軸轉(zhuǎn)向架共6 個驅(qū)動軸，分別由6 臺牽引電機(jī)驅(qū)動，提供整機(jī)牽引力。因此，柴油機(jī)動力系統(tǒng)為柴油發(fā)電機(jī)組，以電能的形式提供驅(qū)動力。

根據(jù)作業(yè)工況不同，重型軌道車的驅(qū)動力分別來自柴油發(fā)電機(jī)組和牽引動力蓄電池組，共有3中不同的供電方式：

A、內(nèi)燃-電傳動方式，由柴油發(fā)電機(jī)組供電；

B、電力-電傳動方式，由牽引動力蓄電池組供電；

C、油電混合-電傳動方式，由柴油發(fā)電機(jī)組和牽引動力蓄電池組聯(lián)合為供電。

混合動力系統(tǒng)采用主輔共中間直流環(huán)節(jié)的交流電傳動方式，在作業(yè)時，根據(jù)負(fù)載和工況的不同具體牽引功率需求及最佳節(jié)油模式的控制，可自動或手動選擇牽引動力蓄電池組單獨(dú)驅(qū)動、柴油發(fā)電機(jī)組單獨(dú)驅(qū)動或二者共同驅(qū)動。

（2）柴油機(jī)動力系統(tǒng)配置

根據(jù)《重型軌道車技術(shù)條件》（GB/T10082）規(guī)定，長編組養(yǎng)路機(jī)械牽引重型軌道車的柴油機(jī)動力系統(tǒng)的裝機(jī)功率定義在重型軌道車范疇允許的最大功率，即1 000 kW 等級。因此，選用2 臺互為冗余的500 kW 柴油機(jī)，總常用功率不超過1 000 kW。柴油動力系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)等組成。

柴油機(jī)的啟停由司機(jī)指令控制；司機(jī)控制器的擋位信號轉(zhuǎn)換為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，并輸出電流信號用于柴油機(jī)調(diào)速。

（3）動力蓄電池系統(tǒng)配置①動力蓄電池組選型

動力蓄電池的選型至關(guān)重要。常用于作為車輛牽引動力的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池。目前在動力電池領(lǐng)域應(yīng)用最廣的是鋰離子電池，其中鉛酸電池和鎳鎘電池已經(jīng)基本淘汰，鎳氫電池僅有小范圍應(yīng)用。

常見鋰離子電池有鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元（鎳鈷錳混合）鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸錳鐵鋰電池、鈦酸鋰電池。考慮到電池使用過程中的安全性，應(yīng)該選用磷酸鐵鋰電池或鈦酸鋰電池，但鈦酸鋰電池能量密度低、單體電壓平臺低、價格高，因此選擇磷酸鐵鋰電池更為合適。

磷酸鐵鋰蓄電池能量密度高，放電特性硬，允許的充放電電流大，比較適合作為動力蓄電池，其在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用也很廣泛，通過對多種蓄電池的對比，混合動力軌道車采用大容量磷酸鐵鋰蓄電池。

磷酸鐵鋰電池充放電曲線見圖2、圖3、圖4：

圖2 不同倍率放電曲線

圖3 不同倍率充電曲線

圖4 不同溫度放電曲線

②蓄電池管理系統(tǒng)

蓄電池管理系統(tǒng)主要包括1個主模塊和多個子模塊。子模塊負(fù)責(zé)單體電池電壓測量和電池工作環(huán)境溫度測量，并適時與主模塊之間通訊;主模塊將子模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸給車輛微機(jī)，微機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)合車輛的運(yùn)用工況實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電控制、過充過放保護(hù)等功能。在使用充電機(jī)利用地面電源為蓄電池充電時，蓄電池管理系統(tǒng)亦提供數(shù)據(jù)采集及傳輸功能。

蓄電池管理系統(tǒng)功能：狀態(tài)檢測、上/下電邏輯、充電邏輯、加熱策略、故障報警、互鎖/保護(hù)。

4.3 混合動力控制技術(shù)

采用柴油發(fā)電機(jī)組和動力蓄電池聯(lián)合為動力源，可根據(jù)牽引作業(yè)功率需求及最佳節(jié)油模式的控制要求，自動或手動選擇柴油機(jī)單獨(dú)提供動力、蓄電池單獨(dú)提供動力，或者柴油機(jī)和蓄電池共同提供動力的混合動力供能模式。

混合動力控制是混合動力軌道車的關(guān)鍵技術(shù)之一，它依靠軌道車微機(jī)系統(tǒng)和蓄電池管理系統(tǒng)協(xié)同配合，靈活安全地控制蓄電池充電、放電和柴油機(jī)的發(fā)電特性，根據(jù)實(shí)際情況確定最佳的混合動力控制策略，節(jié)能減排。

混合動力軌道車根據(jù)實(shí)際工況制定最佳策略，以大幅減少柴油機(jī)惰轉(zhuǎn)時間，讓柴油機(jī)始終工作在最佳油耗點(diǎn)，提高能量轉(zhuǎn)換效率；優(yōu)先使用再生制動，動力蓄電池盡量吸收制動回饋能量，實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用。

5 技術(shù)特點(diǎn)

針對轉(zhuǎn)場作業(yè)及調(diào)車作業(yè)的主要工況，該車設(shè)計采取了以下措施：

（1）混合動力軌道車采用交直交電傳動設(shè)計，軸控，單臺逆變模塊拖動單臺牽引電機(jī)。更好的粘著控制和動力性能。混合動力由牽引變流器的逆變器逆變成頻率及電壓可變的3相交流電，給2個轉(zhuǎn)向架上6臺異步牽引電機(jī)供電。

（2）混合動力軌道車采用柴油發(fā)電機(jī)組和動力蓄電池，聯(lián)合為混合動力軌道車提供動力源，具備純柴油機(jī)作業(yè)、純動力電池作業(yè)、混合作業(yè)3種應(yīng)用作業(yè)工況。

（3）牽引傳動、輔助傳動采用一體化供電電路設(shè)計，輔助系統(tǒng)從中間直流環(huán)節(jié)取電，通過逆變器逆變、變壓器隔離、濾波后提供輔助系統(tǒng) 480 V/87.4 Hz 集中供電電源，系統(tǒng)取消了輔助發(fā)電機(jī)及輔助發(fā)電機(jī)控制單元，軌道車電路設(shè)備得到簡化。

（4）混合動力軌道車采用單整流設(shè)計，將柴油發(fā)電機(jī)組輸出的三相交流電源整流為中間直流。

（5）混合動力軌道車具備電阻制動工況牽引電機(jī)反饋能量存儲和再利用功能，牽引電機(jī)反饋能量除小部分給輔助系統(tǒng)供電外，大部分由動力電池充電存儲，主發(fā)電機(jī)設(shè)計為不發(fā)電狀態(tài)。

（6）動力電池分4 路接入中間直流環(huán)節(jié)，通過4 個濾波電感器、4 個逆變模塊IGBT 斬波元件與中間直流環(huán)節(jié)耦合，具備大電流充電和放電能力，能瞬間回收混合動力軌道車全部2 400 kW牽引電機(jī)制動反饋能量。

（7）混合動力軌道車設(shè)置外接充電電路，通過整流器整流為中間直流，通過逆變模塊IGBT 斬波元件控制動力電池充電電流。

（8）混合動力軌道車具備2路制動斬波、軌道車快速放電以及中間過電壓抑制等功能。

6 技術(shù)優(yōu)勢

6.1 提升施工效率

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》第382 條規(guī)定，向同一封鎖區(qū)間開行路用列車，原則上每端只準(zhǔn)進(jìn)入一列。而采用新型混合動力軌道車可以減少編組數(shù)量及作業(yè)人員安排，將多個編組整合為1個編組。

該車在滿足牽引要求的前提下,具有工頻發(fā)電功能和配套的供電系統(tǒng), 能為施工現(xiàn)場和連掛車輛提供至少400 kVA三相交流電源。

6.2 提升經(jīng)濟(jì)性

采用混合動力源, 低油耗 、低排放、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好,相當(dāng)于把混合動力內(nèi)燃機(jī)車的成熟、先進(jìn)、可靠、適用的技術(shù)應(yīng)用到重型軌道車上。該車既可用于小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)工況，也可用于各鐵路基地大噸位車輛日常調(diào)車作業(yè)，有代替租用DF4內(nèi)燃機(jī)車在基地調(diào)車趨勢，節(jié)省租借DF4機(jī)車運(yùn)用成本。以租用機(jī)車租用費(fèi)9 000 元/天計算，全年租用費(fèi)328.5 萬，經(jīng)初步測算全年至少可節(jié)約費(fèi)用約164 萬（按租用機(jī)車費(fèi)用50%計）。

6.3 提升環(huán)保性

采用混合動力源，根據(jù)作業(yè)工況，在作業(yè)時，根據(jù)具體牽引功率需求及最佳節(jié)油模式的控制，自動或手動選擇柴油機(jī)單獨(dú)提供動力、蓄電池單獨(dú)提供動力或柴油機(jī)及蓄電池共同提供動力的混合動力供應(yīng)模式。基地調(diào)車時，都可把柴油機(jī)單獨(dú)提供動力作為備選，環(huán)保性大大加強(qiáng)。

從設(shè)計理論分析，該重型軌道車具備蓄電池供電模式且制動工況下可進(jìn)行能量回收，可比DF4C型節(jié)約燃油40%～45%。如果長期運(yùn)用，司乘人員將能夠充分利用軌道車制動性能優(yōu)勢，進(jìn)一步提高節(jié)約燃油比率。

為加強(qiáng)重型軌道車“減排”，車輛設(shè)有地面電源充電接口。軌道車牽引能量由高效清潔的地面電源提供，可以實(shí)現(xiàn)零排放。

6.4 節(jié)能

混合動力軌道車具備電制動工況牽引電機(jī)反饋能量存儲和再利用功能，牽引電機(jī)反饋能量除小部分給輔助系統(tǒng)供電外，大部分由動力電池充電存儲。

7 結(jié)束語

把混合動力內(nèi)燃機(jī)車的技術(shù)應(yīng)用到重型軌道車上,為鐵路施工和養(yǎng)路機(jī)械牽引提供了一種大功率混合動力軌道車。其研制符合國家節(jié)能減排政策，順應(yīng)“綠色環(huán)?！钡臍v史潮流，也是國際一流軌道交通供應(yīng)商競相研究和發(fā)展的前沿技術(shù)。隨著混合動力軌道車技術(shù)的完善和發(fā)展，混合動力軌道車一定會走向市場，為節(jié)能減排和現(xiàn)代養(yǎng)路機(jī)械一體化施工作出極大貢獻(xiàn)，創(chuàng)出極大經(jīng)濟(jì)效益。