柴電混合動力調車機車動力系統設計*

齊洪峰，吳 健，張 弛，季 巧

（1 中車工業研究院有限公司，北京 100070；2 北京交通大學 國家能源主動配電網技術研發中心，北京 100044）

調車機車是專門用于列車牽出、推峰、編組等調車作業的機車［1］，具有頻繁啟動及停車的特點。調車機車負荷變化頻率高，運行工況不穩定，柴油機滿負荷工作時間平均只有10%左右，約50%的的時間處于空載或惰轉運行狀態［2］，這使得柴油機裝車功率遠大于各工況下的平均運行功率，導致大功率柴油機配置的浪費。此外，載重的頻繁變化使得內燃機車對燃油的利用效率低，導致能源浪費和環境污染等問題。

為了改善傳統內燃調車機車的運行性能和經濟效益，柴電混合動力調車機車應運而生。柴電混合動力指的是柴油發電機組與蓄電池系統共同作為動力源，為機車提供能量。鑒于我國現保有的內燃機車中，東風（簡稱DF）內燃機車為主力車型，文中將參照其運行工況對柴電混合動力調車機車動力系統進行合理配置，實現綠色、環保、節能、降噪的目的。

1 柴電混合動力調車機車工作原理

1.1 柴電混合動力調車機車的系統結構

柴電混合動力調車機車的電傳動系統主要由柴油發電機組、車載動力電池組、整流器、雙向DC/DC變換器、牽引逆變器、輔助變流器、機械驅動裝置等組成。其系統結構如圖1所示。

圖1 柴電混合動力調車機車系統結構圖

牽引工況下，柴油發電機組將燃油的熱能轉換為機械能并帶動發電機，發電機再將機械能轉換為電能，經由整流器向中間直流環節供電；車載動力電池組將化學能轉換為電能，經雙向DC/DC變換器，與柴油機發電機組作為雙動力源為調車機車的運行及輔助系統提供能量。制動工況下，機車再生制動的能量反饋至中間直流母線上，由機車輔助系統和動力電池組吸收，若制動能量無法全部回收，則由電阻或機械制動轉化為熱能消耗。

1.2 柴電混合調車機車的功率流動

柴電混合動力調車機車功率流動如圖2所示，其中紅色箭頭表示能量可以雙向流動。

圖2 混合動力系統功率流動示意圖

圖中，Pes為車載動力電池組經雙向DC/DC變換器后的輸出功率；PDG為柴油發電機組提供的功率；PM為中間直流環節母線功率；Ptr為折算到中間直流環節的列車運行需求功率；PSIV為輔助系統功率；Pw為機車輪周功率。

根據實際工程經驗，柴油機在負荷率越高時，油耗率越低。負荷率反映的是柴油機工作的平均功率。為了提高節油率，使柴油機盡可能只在額定功率下工作，需保證只要其啟動，就工作在最佳工作點即滿負荷工作點。因此采用如下控制方案：牽引工況下，當牽引及輔助功率小于柴油機滿負荷功率時，由動力電池系統提供功率；當牽引及輔助功率大于柴油機滿負荷功率時，柴油機啟動并滿負荷工作，不足的功率由動力電池系統補充。制動工況下，制動能量由動力電池完全吸收。當動力電池SOC較低時，柴油機滿負荷啟動為動力電池充電。

2 混合動力系統建模

2.1 柴油機模型

柴油發電機組的建模可以分為試驗建模與理論建模2種方法［3-4］，文中是從大量試驗數據中提取出能夠代表柴油發電機組各種工作特性的數據，采用萬有特性圖（Map圖）進行的試驗建模［3-5］。由于重點關注燃油消耗減少帶來的經濟性的改善，因此只針對燃油消耗部分建模。根據機車實際運行時的油耗數據，建立8240ZJS柴油機的萬有特性曲線如圖3所示。

圖3 發動機萬有特性曲線

不考慮溫度修正情況下的理論燃油消耗，發動機油耗特性關系為式（1）：

針對發動機也采取試驗建模的方法，通過插值選取每個輸出功率下的最小耗油率所對應的工作點，作為發電機組的最優工作曲線［5-7］。

2.2 電池模型

2.2.1 電池電路模型

現有的動力電池等效電路模型主要包括：內阻模型，PNGV模型，Thevenin模型和n階RC模型［8-9］。結合文中的研究重點，模型的準確程度以及仿真時長，單體動力電池Thevenin模型如圖4所示［9］。該模型不僅能夠準確的反應動力電池在實際使用過程中的穩態特性及動態特性，而且模型所需的電池相關參數較少，便于仿真計算。

圖4 單體動力電池Thevenin模型

其中，VOCV為電池開路電壓；Rp與Cp為電池的極化內阻與極化電容；Ro為電池的歐姆內阻；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）：

通過電路暫態分析，可得動力電池端電壓與電流方程為式（4）：

對于動力電池荷電狀態（SOC），則采用安時積分法求解為式（5）：

式中：SOC（t）為t時刻電池的荷電狀態；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系特性來計算為式（6）：

式中：Ylife為電池組有效使用壽命；EB為電池系統配置的額定能量；η為壽命折損系數，取0.72，為電池DOD與車載電池壽命周期平均衰減系數之積；NB為電池在特定DOD下的循環使用次數；Edaily為電池系統每日能量吞吐總量，根據實際統計數據計算平均得到。

電池系統的回收年限Yrecovery，由下式可得式（7）：

式中：CI為電池成本；Cyear為年均節油費用。

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

式中：Y為電池更換周期，10 a。

3 動力系統設計方案

對比參照DF系列的內燃調車機車運行工況及相關數據，對3 000 hp（2 237 kW）柴電混合調車機車的動力系統進行配置。

3.1 柴油機的選取

調車機車進行作業時，長期處于低轉速狀態，機車負載率低，導致燃油燃燒效率低下［4］。為了提高調車機車節油率，柴油機功率應接近運行平均功率，平均功率之外的負載變化功率由車載儲能系統提供。為了實現節油率的充分對比分析，根據實際工程項目要求，文中選擇現有技術成熟且運用廣泛的型號為8240ZJS的柴油機，其額定功率為1 324 kW，發電機組輸出功率為1 250 kW，其油耗特性數據如圖5所示。

圖5 8240ZJS柴油機油耗特性曲線

3.2 電池系統配置

參照DF系列內燃機車電傳動系統，柴電混合調車機車的中間直流環節額定電壓為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種類型電池來進行電池系統方案比選，備選電池參數見表1。

表1 3種鋰電池基本性能參數表

配置車載儲能系統時，首先通過調車機車在作業時的功率需求推算動力電池系統的峰值功率需求，以此計算出3種類型電池所需的能量配置，再結合各個工況下的能量需求，對比分析各種電池的性能特性和經濟性，以確定動力電池的種類選取和具體配額。由于文中設計的3 000 hp（2 237 kW）調車機車輪周功率為2 200 kW，柴油發電機組輸出功率PDG為1 250 kW，輔助系統功率PSIV為142 kW，機車傳動效率η取0.866 5。

牽引加速階段，動力電池系統放電峰值功率為：

制動停車階段，動力電池系統充電峰值功率為：

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作為電池系統的最小功率配置，則動力電池系統可以完全回收機車再生制動能量。根據以上數據，計算得到3種類型電池的配置邊界見表2。

表2 電池系統配置邊界

4 仿真與分析

4.1 基于MATLAB模型的仿真圖形

調車機車的調車作業包括牽出、編組、推峰及小運轉作業。

小運轉作業下，調車機車長時間工作在高負荷工況下，此時需柴油發電機組和電池共同輸出功率，此工況下，機車續航里程與電池裝機容量密切相關。另外，在機車實際運行功率與機車額定功率越接近時，混合動力系統不能充分發揮功率調節作用，節油效果不明顯，因此，柴電混合動力調車機車應避免小運轉作業模式，此工況適合用干線內燃機車做牽引運行［11］。文中僅對牽出、編組及推峰工況做仿真分析，單程作業具體數據見表3。

表3 3種工況的單程運行數據

根據統計數據，3種工況的占比分別為25%、50%、25%，設定柴電混合調車機車每日進行3種載重的牽出作業各1趟、編組作業6趟、推峰作業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 柴電混合動力調車機車在混合工況下的母線需求功率

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

3種類型電池系統在混合工況下的SOC變化曲線如圖7所示。

圖7 3種電池系統在混合工況下SOC變化曲線

電池系統放電時SOC曲線下降，柴油發電機組給電池系統充電及回收制動能量時SOC曲線上升。對比可知，功率型LTO充放電倍率大，SOC變化迅速，所需充電次數最多；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小；LFP能量密度最大，續航能力明顯優于其余2種。在設定工況運行結束后，柴油發電機組以額定功率給電池系統充電，使運行始末電池系統SOC相等，便于進行油耗對比。

4.2 經濟性分析

4.2.1 油耗分析

由于電池系統能夠完全吸收制動能量，與DF7型內燃機車相比，3種配置的柴電混合動力調車機車在各工況下的油耗和節油率相同，如圖8所示。

圖8 各工況下單程油耗數據

由于選取的小功率柴油機只運行在最佳工作點，并且動力電池系統能夠完全吸收制動能量，柴電混合動力調車機車在各工況下的耗油量遠低于傳統內燃機車。在設定的混合工況下，傳統內燃機車DF7的油耗為665.98 L，柴電混合調車機車的油耗為417.424 1 L，節油率為37.32%，其中吸收制動能量節省燃油約12.29 L，占總節省油耗的4.94%。

4.2.2 綜合對比

參照DF7全年運行的工況數據，計算動力電池系統生命周期內的節省費用，并將3種類型電池配置的經濟性數據綜合，見表4。

表4 3種電池系統綜合對比

對3種類型電池系統配置進行橫向對比可知，功率型LTO電池系統初始成本低，回收年限短，生命周期內節省費用最高；能量型LTO和LFP電池系統續航能力強，在生命周期內也能節省一定費用，但初始投入成本高、回收年限長，且電池系統的體積與質量遠遠高于功率型LTO電池系統。考慮到工程項目實際要求，調車機車配置動力電池系統的空間有限。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）柴電混合調車機車的動力系統為最佳方案。

5 結語

文中提出了一種簡要設計柴電混合動力調車機車動力系統的方案。根據調車機車日常運行的平均功率，首先確定柴油機的配置，柴油發電機組的輸出功率應大于該平均功率，并保證在惡劣工況下，能夠單獨提供調車機車勻速運行時的母線需求功率，選取滿足上述2個條件的小功率型柴油機。配置車載儲能系統時，先通過調車機車進行作業時的功率需求推算動力電池系統的峰值功率需求，以此確定各個類型電池系統所需的能量配置，再結合不同工況下的能量需求，對比分析各種電池的性能特性和經濟性，并結合工程實際綜合考慮動力電池的種類選取。

針對3 000 hp（2 237 kW）柴電混合動力調車機車，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%的動力系統。該方案可以充分匹配調車機車在牽出、推峰、編組及混合工況4種作業模式下10 a的服役需求；在各個工況下，柴油發電機組只運行在最佳工作點，減少了燃油消耗量，達到節油率30%的目標；電池系統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%區間，驗證動力電池系統配置合理；動力電池系統在生命周期內節省的費用可觀，能夠完全吸收制動反饋能量，在提升經濟性的同時達到節能減排的目的。

由于實際工程項目需要，文中選取了輸出功率1 250 kW的8240ZJS型柴油機，然而仿真結果表明，調車機車運行平均功率遠小于該值，在一定程度上造成柴油機配置的浪費，這說明在設計3 000 hp（2 237 kW）柴電混合動力調車機車動力系統時，在滿足機車在惡劣工況下勻速運行功率需求條件下，可以考慮采用輸出功率更小的柴油發電機組，不僅可以提升節油率，還能節省柴油機購置成本，獲得更佳的經濟效益。