干線用混合動力車組動力電池及動車組控制策略研究

韓 笑，劉順國，郭 力

(中國中車資陽機車有限公司技術中心，四川 資陽 641301)

0 引言

為適應內燃機車發展的新要求，國內外各公司陸續開始進行混合動力新車型的開發，加拿大Rail Power、美國GE、Brookville、法國Alstom、德國Schakle、日本Toshiba等多個公司均開發過混合動力機車，部分公司還曾進行了舊車的混合動力改造工作，但還沒有公司提出混合動力車組的概念。

本文介紹的混合動力車組是為滿足發達國家環保要求而開發的全新的混合動力模式，采用傳統內燃機車重聯純動力電池機車的方式，2車未重聯時分別有獨立牽引的能力，同時2車的主傳動系統和控制系統等關鍵系統可以進行重聯，重聯后整體相當于一個混合度50%左右的動車組，能夠實現混合牽引、動力制動能量回收等混合動力車的關鍵功能，起到大功率牽引、節省燃油和降低排放的目的。與單獨開發混合動力新車型和舊內燃機車進行混合動力改造相比，混合動力車組更靈活，對舊車的改動更小，且利用率高，能充分發揮混合動力機車的優勢，是一種現階段切實可行的干線牽引混合動力方案。

而成功研制混合動力車組的關鍵技術是確定與線路及牽引方式相適宜的動力電池容量及混合動車組控制策略。因此本文針對澳洲某條特定干線線路對該混合動車組的編組、混合動力電池容量、混合動力控制策略等進行方案研究與仿真計算。

1 混合動力車組編組方案

干線用混合動力車組目標是以混合動力牽引模式(1臺內燃交流傳動機車+1臺純蓄電池機車)替代2臺內燃交流傳動機車重聯牽引的模式，混合動車組編組模式如圖1所示。目標客戶傳統運營編組模式為2臺3 000 kW內燃交流傳動機車重聯牽引，為保證混合動力車組牽引性能不低于傳統運營編組，混合動力車組編組總功率(相當于柴油機裝車功率)須大于等于6 000 kW，采用1臺3 000 kW內燃交流傳動機車+1臺3 000 kW純蓄電池機車。

圖1 混合動車組編組模式

車組主要技術參數如下:功率大于等于6 000 kW；軸重：22.3 t；軸式：(C0-C0)+(C0-C0)；啟動牽引力：2×600 kN；尺寸牽引力：2×520 kN；最高運行速度：120 km/h；持續速度：16 km/h；電阻制動功率大于等于4 500 kW；限界：RoA Manual Diagram 18-1 Plate A。

2 混合動力車組動力電池方案

混合動車組要求裝車動力電池組容量大、重量輕，因此動力電池組采用磷酸鐵鋰電池，系統電量3 080 kW·h，電壓1 408 V，容量2 188.8 Ah，采用容量與功率兼顧型圓柱3 600 mAh磷酸鐵鋰電池。整體動力系統由外廓相同的40個動力蓄電池單元串聯組成。每個動力蓄電池單元由電池模塊、管理系統從控盒、高壓接插件、面板、承重式電池箱體框架等組成。動力電池組安裝在具有防御雨、雪、風、沙、通風、保暖的電池倉內，滿足機車的振動和沖擊要求。

動力電池組主要技術指標如下：電池類型為：IFR26650-3 600 mAh；組合方式為：440s 608p；系統標稱電壓為：1 408 V；系統額定容量為：2 188.8 Ah；充電方式為：CC/CV；充電最高電壓為：1 606 V；持續充電電流為：2 188 A(1C)；最大充電電流為：3 283 A(1.5C)；持續放電電流為：2 188 A(1C)；循環壽命為：不少于2 500次；工作溫度范圍：充電為0℃～55℃，放電為-20℃～55℃。

3 混合動力車組控制策略

混合動力車組在干線上運用時，須保證純電動機車不停機情況下可以持續提供牽引功率，且動力蓄電池能達到最佳循環壽命和機車運用最大經濟性的目的。為達到以上目的，先制訂基本控制策略，并通過仿真計算證明該控制策略在目標線路(澳洲North Goulburn到Harden 160 km之間來回運用)運用是可行的。

3.1 “1臺純動力蓄電池動力機車+1臺內燃交流傳動機車”的混合動力車組基本控制策略

混合動力車組在干線上運用時有3種工作模式，動力車組需要大功率牽引時，雙機同時輸出牽引功率的混合牽引模式(見圖2)、混合動力車組牽引功率小于純內燃單機牽引功率時，將使柴油機盡量工作在經濟區，滿足牽引后的多余功率向動力電池機車充電的模式、混合動車組電阻制動時制動能量回饋給動力電池機車充電的模式，如圖3所示。

圖2 內燃機車與純蓄電池機車共同牽引

圖3 純蓄電池機車充電

當混合動車組混合牽引時為了減少機車加速時間，并保證機車續航能力，應優先使用內燃機車動力。當動力電池組荷電狀態SOC(state of charge)高于特定值時，混合牽引功率中動力電池輸出功率與內燃機車輸出功率比為1:1，隨著動力電池組SOC的降低逐步降低純動力電池機車在混合牽引動力中的占比，并提高內燃交流傳動機車功率，直到達到該檔位目標功率或內燃交流傳動機車的最大功率。

當混合動車組中動力電池SOC低于特定值時，內燃機車工作在滿功率狀態，滿足牽引后的功率給動力電池充電。

當混合動車組制動時，其機車制動能量優先用于動力蓄電池充電，動力蓄電池充電能力不足時，用內燃交流傳動機車電阻制動進行補充。

3.2 對特定線路進行仿真計算，確定混合動力車組控制策略

在目標線路(澳洲Goulburn到Harden線路進行貨車牽引)針對運行工況進行仿真計算，總結混合動力車組的動力電池使用情況從而確定最佳電池放電倍率，在滿足全線不停機充電的條件下，最大化提高電池使用率，保證機車最佳運行經濟性，確定混合動車組最終控制策略。

3.2.1 線路情況

Goulburn到Harden整條線路全長163 km左右，正向方向呈起伏下降，最大上坡道25‰，最大下坡道15‰，爬坡最小曲線半徑400 m。全線海拔變化如圖4所示。

圖4 Goulburn到Harden全線海拔變化趨勢

對于混合動力車組來說，機車牽引上坡放電，下坡充電，起伏狀線路最適合混合動力車組牽引運行，能夠充分發揮混合動力的優勢，實現節省燃油，降低排放的目的。

3.2.2 仿真計算

牽引運行仿真計算采用有限元方法和思路，將澳大利亞Goulburn到Harden線路全長分成等長(每隔10 m)的有限個區段，采取擬定的編組方式(1臺純動力電池機車+1臺內燃機車共同牽引3 000 t貨物)和一系列機車控制策略依次對每一區段進行牽引運行計算，輸出計算后的邊界結果，同時作為下一區段的計算用邊界條件，最終得到不同條件下的速度、時間、耗電量和油耗等計算結果，同時得到每一特定點或路段的牽引運行狀況。

3.2.2.1 正向牽引

正向線路為起伏下坡，全線干線混合動力車組的正向牽引仿真速度如圖5所示，電池電量變化如圖6所示，正向牽引仿真計算結果對比如表1所示。

圖5 正向牽引速度變化

圖6 正向電池電量變化

通過該仿真計算對正向路線上純電池機車搭配內燃交流傳動機車的牽引運用情況進行分析，當出發時動力蓄電池SOC達到95%，正方向牽引用動力蓄電池采用最大1C放電、1.5C充電(見表1放電策略1)，到終點時SOC不低于47.5%，全程電量最低點位34%，且通過速度與2臺內燃交流傳動機車牽引相當。若加大電池放電倍率，以最大1.1C(3 300 kW)放電、1.5C充電(見表1放電策略2)，則電池電量依然足夠全程使用。到終點時SOC不低于41%，全程電量最低點為27.6%；速度相比1C放電僅提高2%。因此，考慮到動力蓄電池使用壽命，采用電池最大放電倍率1C方式最佳。

表1 正向牽引放電策略仿真計算結果對比

3.2.2.2 反向牽引

反向線路為起伏上坡，全線干線混合動力車組的反向牽引仿真速度如圖7所示，電池電量變化如圖8所示，反向牽引仿真計算結果對比如表2所示。

圖7 反向牽引速度變化

圖8 反向電池電量變化

表2 反向牽引放電策略仿真計算結果對比

續表2

反向牽引時因為線路為起伏上坡，故機車負荷較大，所需電量較大，為保證電池電量全線不低于25%，僅可采用最大0.5C(1 500 kW)放電、1.5C充電(見表2放電策略1)，在此條件下，到終點時SOC不低于43%，全程電量最低點為27%，可以滿足牽引需求，但因為牽引功率降低，通過速度比2臺內燃交流傳動機車重聯時降低了15%。因此須考慮其他控制策略以解決速度降低問題，如在電量比較緊張的線路上，還可以采用停機充電和全線柴油機額定轉速多余做功充電2種補電方式。前者雖然電量得到補充，但對通過時間影響較大，僅可用于有停車、會車等情況。而后者可以在途中讓柴油機工作在經濟油耗點的同時給動力電池補充一定電量，雖然油耗增加，經濟性降低，但是可以提高通過速度。但采用此種方式需要注意，因為上坡時柴油機功率幾乎都用于牽引，無多余做功；而下坡時動力制動回收已經讓電池在最大倍率充電，故該方式多用于平直道、小坡道區段，以及停機怠速時。

通過仿真計算發現，該線路因為平直和小坡道區段較少且全程不停機，故采用柴油機多余做功充電，補電量較少。通過計算發現，當采用全線柴油機額定轉速多余做功充電策略時，該線路柴油機可以給動力蓄電池充電SOC 15%，放電倍率可提高到最大0.58C(1 750 kW) 、1.5C充電(見表2放電策略2)，到終點時SOC不低于45.8%，全程電量最低點為25.5%，通過速度提高3%，可基本滿足運用要求。

3.2.3 仿真計算結果分析

通過仿真計算分析得到：當混合動車組動力電池功率和柴油機功率為1:1時，采用SOC不小于50%時，優先使用動力蓄電池的電能給列車加速；SOC低于50%后，逐漸降低動力蓄電池放電倍率(當SOC在40%～50%時，放電倍率0.5C；當SOC在30%～40%時，放電倍率0.3C；當SOC在20%～30%時，放電倍率0.15C)，延長純動力蓄電池動力機車續航時間；當SOC低于20%時，動力蓄電池停止放電的控制策略可以滿足運用要求，且節能效果較好。此時混合動車組在正向牽引時無需柴油機牽引多余做功充電或者停機充電，與2臺內燃機車牽引相比，在通過速度與實際相當的情況下，全線依靠車載電池電量以及下坡制動能量回收的電量，可以減少燃油消耗50%(1 335.5 L)；反向牽引時依靠車載電量以及下坡制動能量回收的電量，可以減少燃油消耗33%(1 061.6 L)。

4 結語

本文中提出的電池方案及控制策略在澳大利亞North Goulburn到Harden線路上取得了良好的仿真效果，當該車組用于其他線路時，應按文中所述，先收集運營線路數據，然后結合基本控制策略和機車性能進行多次仿真計算并對比結果，初步確定最大放電電流和能滿足該線路運營要求的控制策略，并綜合考慮通過性、經濟性等目標，從而確定理想的控制策略。再通過線路試運行驗證后，調整參數或策略，以期最終確定最適合該條線路的經濟適用的機車方案和牽引控制策略。