一種混合動(dòng)力系統(tǒng)及其控制方法

齊 彪，范麗冰，周安德，呂志龍

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412100)

0 引言

隨著近年來人類社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)內(nèi)燃車高排放污染對(duì)人類環(huán)境帶來的危害。傳統(tǒng)內(nèi)燃動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行排放所造成的空氣質(zhì)量日益惡化，環(huán)境保護(hù)的迫切性和石油儲(chǔ)量日見短缺的壓力，迫使人們?nèi)タ紤]內(nèi)燃動(dòng)車組動(dòng)力系統(tǒng)問題，尋求最優(yōu)的解決方案[1]。利用儲(chǔ)能設(shè)備與內(nèi)燃動(dòng)力組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省燃油，降低污染物排放，同時(shí)還可以降低運(yùn)營成本，是很有發(fā)展前景的綜合能源利用系統(tǒng)[2]，也是近年來軌道交通領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。這種新型系統(tǒng)不僅保留了內(nèi)燃動(dòng)力高線路適用性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)運(yùn)行過程中可短時(shí)進(jìn)行全電力牽引，實(shí)現(xiàn)列車低排放、低噪音運(yùn)行，大大提升了列車環(huán)保性能。

超級(jí)電容具有大電流充放電的特性，可提供瞬時(shí)大功率[3]，結(jié)合現(xiàn)階段超級(jí)電容儲(chǔ)能電源發(fā)展成果，本文提出了一種基于內(nèi)燃柴油機(jī)與超級(jí)電容儲(chǔ)能電源的混合動(dòng)力系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出一種動(dòng)力控制方法，使動(dòng)車組具有優(yōu)良的動(dòng)力性能，同時(shí)綜合考慮動(dòng)車組的各種運(yùn)用工況，使列車能在各個(gè)工況之間靈活切換，保持低排放、高節(jié)能的特性。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)和控制方法的有效性。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)架

混合動(dòng)力系統(tǒng)總體構(gòu)架(見圖1)，主要包括柴油機(jī)動(dòng)力包、整流器、超級(jí)電容儲(chǔ)能電源、變流器、牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻和輔助逆變器等。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

柴油內(nèi)燃動(dòng)力包是一個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組，將柴油化石能量轉(zhuǎn)化為三相交流電能，然后經(jīng)三相不可控整流器整流和DC-DC直流調(diào)壓后，轉(zhuǎn)化為直流電源輸出到中間回路。超級(jí)電容采用直接并聯(lián)的方式連接到中間直流回路上，一起給變流器后端負(fù)載供能。

在列車牽引工況，動(dòng)力包和超級(jí)電容同時(shí)給牽引變流器(包括牽引逆變器和輔助逆變器)供電。由于超級(jí)電容具有短時(shí)大功率輸出特性，列車能在短時(shí)內(nèi)加速到最高運(yùn)營速度。在列車惰行工況，動(dòng)力包除少量功率用于維持列車恒速運(yùn)行外，多余的功率可用于給超級(jí)電容充電，使超級(jí)電容處于高電量的狀態(tài)，以備下階段超級(jí)電容牽引功率輸出。

在列車制動(dòng)工況，牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將制動(dòng)回饋電能給輔助系統(tǒng)利用，同時(shí)給超級(jí)電容充電，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用；如果回饋能量較大，回饋能量中多余的電能由制動(dòng)電阻以熱量的方式進(jìn)行釋放。

1.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力模式

混合動(dòng)力系統(tǒng)包括多種動(dòng)力模式。通過選擇不同的動(dòng)力模式適應(yīng)列車不同的應(yīng)用場景和工況。

柴油機(jī)動(dòng)力包供能模式：①當(dāng)列車運(yùn)行在低速區(qū)間或整車功率消耗較低時(shí)，柴油動(dòng)力包的輸出功率就能滿足列車的功率需求，此時(shí)不需要超級(jí)電容輸出。系統(tǒng)工作僅在柴油機(jī)動(dòng)力包供能模式。②當(dāng)超級(jí)電容需要充電時(shí)，啟動(dòng)柴油機(jī)給超級(jí)電容充電，此時(shí)系統(tǒng)也處于柴油機(jī)動(dòng)力包供能模式。

超級(jí)電容儲(chǔ)能電源供能模式：當(dāng)列車處于庫內(nèi)或在車站等人口密集、對(duì)噪聲要求比較高的場合，關(guān)閉柴油動(dòng)力包僅啟動(dòng)超級(jí)電容，使列車實(shí)現(xiàn)短距離牽引。由于柴油機(jī)未啟動(dòng)，列車此時(shí)靜音運(yùn)行。

柴油機(jī)動(dòng)力包和超級(jí)電容儲(chǔ)能電源混合動(dòng)力牽引：列車需要爬坡或加速時(shí)，此時(shí)單個(gè)動(dòng)力不能滿足牽引需求。由于超級(jí)電容儲(chǔ)能電源能提供瞬時(shí)大功率，因此，此時(shí)處于混合動(dòng)力模式，列車具有優(yōu)良的動(dòng)力性能。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制方法

2.1 控制系統(tǒng)組成

混合動(dòng)力系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)包括靜態(tài)運(yùn)行、牽引控制、制動(dòng)控制和惰行控制等多種工作狀態(tài)的控制，規(guī)定各個(gè)模式下的操作步驟，控制不同模式下動(dòng)力包與超級(jí)電容的相互協(xié)同工作。控制系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 混合動(dòng)力控制系統(tǒng)示意圖

圖2中，司機(jī)模型是司機(jī)根據(jù)列車實(shí)際車速、線路工況和目標(biāo)車速等條件給出的司控器手柄級(jí)位。

司機(jī)意圖解釋模塊主要功能是，根據(jù)當(dāng)前列車實(shí)際車速和司機(jī)給出的手柄信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前整車需要輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并將該信號(hào)發(fā)送給功率需求計(jì)算模塊和牽引逆變器。

功率需求計(jì)算模塊根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩、實(shí)時(shí)車速和逆變器實(shí)時(shí)反饋輔助功率，計(jì)算出當(dāng)前整車總功率需求。

能量管理模塊根據(jù)當(dāng)前整車總功率需求、動(dòng)力包可用功率限值、超級(jí)電容輸出功率限值，根據(jù)超級(jí)電容配比策略，將功率配比輸出需求發(fā)送給動(dòng)力包和超級(jí)電容。

動(dòng)力包模塊根據(jù)當(dāng)前所需功率和實(shí)際輸出功率，調(diào)整轉(zhuǎn)速直到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率和實(shí)際功率相同。

超級(jí)電容模型則將超級(jí)電容的實(shí)時(shí)電壓、模組溫度等發(fā)送網(wǎng)絡(luò)及逆變器。

逆變器模塊根據(jù)當(dāng)前整車所需輸出力矩、控制電機(jī)輸出相應(yīng)力矩，同時(shí)限制超級(jí)電容充放電電流。

2.2 功率需求計(jì)算

混合動(dòng)力系統(tǒng)要解決的核心問題是對(duì)功率的控制，第一步是計(jì)算系統(tǒng)總的功率需求。整車功率需求包括牽引功率和輔助功率兩個(gè)部分。如上所述，功率需求計(jì)算模塊根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩、車速和輔助功率等輸入信息計(jì)算當(dāng)前的功率需求。具體計(jì)算方法如下。

在不考慮系統(tǒng)效率的情況下，牽引功率計(jì)算可表示為：

(1)

其中，v表示列車車速；μ表示司控器手柄牽引級(jí)位；F為牽引力，是車速和手柄級(jí)位的函數(shù)。

總的功率需求為牽引負(fù)載和輔助負(fù)載之和，即：

Pr(v，μ)=PL(v，μ)+Psiv

(2)

其中，Psiv表示輔助系統(tǒng)功率。

2.3 功率配比策略

確定不同動(dòng)力源的功率配比是混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理需要解決的核心問題，直接決定系統(tǒng)的工作特性。由于車載超級(jí)電容所儲(chǔ)存的能量有限，長時(shí)間大功率輸出將導(dǎo)致饋電的風(fēng)險(xiǎn)，影響車輛加速性能。因此，確定“動(dòng)力包優(yōu)先發(fā)揮，超級(jí)電容補(bǔ)充輸出”為混合動(dòng)力系統(tǒng)功率配比原則，避免超級(jí)電容過度放電的問題。動(dòng)力包和超級(jí)電容功率配比主要由需求功率和超級(jí)電容實(shí)時(shí)電壓決定。

2.3.1 超級(jí)電容電壓大于等于設(shè)定值

當(dāng)超級(jí)電容實(shí)時(shí)電壓大于等于設(shè)定值表示超級(jí)電容電量較充足，允許即時(shí)的大功率輸出。因此，當(dāng)需求功率小于動(dòng)力包最大可用功率時(shí)，能量管理模塊向動(dòng)力包發(fā)目標(biāo)功率需求(見圖2)，功率全由動(dòng)力包輸出，超級(jí)電容不輸出；當(dāng)需求功率大于動(dòng)力包最大可用功率時(shí)，能量管理模塊向動(dòng)力包發(fā)目標(biāo)功率需求，動(dòng)力包按最大功率輸出，超級(jí)電容補(bǔ)充超出的部分。

2.3.2 超級(jí)電容電壓小于設(shè)定值

當(dāng)超級(jí)電容實(shí)時(shí)電壓小于設(shè)定值表示超級(jí)電容處于電量水平較低的狀態(tài)，需要補(bǔ)充電能。因此，當(dāng)需求功率小于動(dòng)力包的可輸出最大功率時(shí)，能量管理模塊向動(dòng)力包發(fā)目標(biāo)功率需求，動(dòng)力包全功率輸出，一部分滿足牽引輔助端功率需求，剩余部分給超級(jí)電容充電，使超級(jí)電容保持高電量水平，進(jìn)而保證列車動(dòng)力系統(tǒng)的二次加速性能。

當(dāng)需求功率大于動(dòng)力包的最大可輸出功率時(shí)，能量管理模塊向動(dòng)力包發(fā)目標(biāo)功率需求，動(dòng)力包全功率輸出，超級(jí)電容補(bǔ)充輸出超出的部分。

2.4 制動(dòng)能量回收策略

車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，滿足速度要求的情況下，施加電制動(dòng)，此時(shí)功率需求計(jì)算模塊計(jì)算的需求功率值為負(fù)值，動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入制動(dòng)模式。混合動(dòng)力進(jìn)入制動(dòng)模式時(shí)，電制動(dòng)再生能量給輔助系統(tǒng)供電，多余的能量給超級(jí)電容充電。

根據(jù)車輛電制動(dòng)特性，車輛開始制動(dòng)的起始速度決定電制動(dòng)回饋的能量大小。為了更合理利用超級(jí)電容回收制動(dòng)再生能量，達(dá)到混合動(dòng)力節(jié)能減排的目的，須根據(jù)車輛實(shí)時(shí)車速控制超級(jí)電容的電量狀態(tài)，預(yù)留足夠的電量空間，回收制動(dòng)能量。由于超級(jí)電容直接并聯(lián)在中間直流回路上(見圖1)，超容電壓和中間直流回路電壓相等，利用整流器內(nèi)DC-DC模塊根據(jù)車輛實(shí)時(shí)車速對(duì)中間回路電壓進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)超容電量的控制。具體如表1所示。

表1 中間電壓控制列表

車輛制動(dòng)時(shí)的速度越高，電制動(dòng)回饋能量越大，表1中電壓閾值的設(shè)置隨著速度區(qū)間的增大依次減小。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某混合動(dòng)力動(dòng)車組采用了該混合動(dòng)力系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)地面組合試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)主要參數(shù)

運(yùn)用上述混合動(dòng)力控制方法，針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)可能處于的各種工作狀態(tài)，測試各個(gè)工況下系統(tǒng)的工作參數(shù)與效能。

3.1 牽引工況測試

將滾動(dòng)測試臺(tái)的速度保持在50 km/h，牽引級(jí)位從0調(diào)整到100%，模擬列車牽引工況。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 牽引工況測試結(jié)果

從圖3可看出，隨著牽引級(jí)位加大，動(dòng)力系統(tǒng)牽引功率從0增加到約600 kW。牽引功率增加過程中，整流器功率優(yōu)先輸出，6 s時(shí)刻增加到最大輸出；超級(jí)電容由充電轉(zhuǎn)為放電補(bǔ)充功率輸出，約11 s時(shí)輸出功率達(dá)到最大，超級(jí)電容電壓從830 V降低到約790 V。試驗(yàn)結(jié)果證明了“動(dòng)力包優(yōu)先發(fā)揮，超級(jí)電容補(bǔ)充輸出”混合動(dòng)力系統(tǒng)功率配比策略的有效性。

3.2 惰行工況測試

利用外部負(fù)載將超級(jí)電容放電至電量較低的水平，同時(shí)滾動(dòng)測試臺(tái)的速度保持在80 km/h，牽引級(jí)位保持為0，模擬列車惰性工況。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4測試結(jié)果顯示，列車惰行時(shí)超級(jí)電容處于充電狀態(tài)，電壓從約640 V上升到約830 V，830 V后整流器DC-DC控制充電電流減小，電壓到達(dá)控制閾值后保持平穩(wěn)不再上升。符合系統(tǒng)惰性工況設(shè)定的控制效果。

圖4 惰行工況測試結(jié)果

3.3 制動(dòng)工況測試

將滾動(dòng)測試臺(tái)的速度保持在60 km/h，制動(dòng)級(jí)位調(diào)整到100%，模擬列車制動(dòng)工況。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 制動(dòng)工況測試結(jié)果

制動(dòng)工況時(shí)，測試結(jié)果顯示隨著牽引電機(jī)回饋功率逐步增加，超級(jí)電容功率也同步增加，幾乎全部回收制動(dòng)能量。超級(jí)電容從電壓805 V充電到845 V。制動(dòng)過程中，控制整流器DC-DC處于關(guān)斷狀態(tài)，無功率輸出。

4 結(jié)語

研究了混合動(dòng)力動(dòng)車組的動(dòng)力系統(tǒng)基本架構(gòu)和組成，并詳細(xì)介紹了柴油機(jī)動(dòng)力包和超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)工作的基本原理和能量管理策略，最終用試驗(yàn)證明了控制方法的有效性，使內(nèi)燃動(dòng)力動(dòng)車組在具有較好的動(dòng)力特性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排的環(huán)保目標(biāo)，為混合動(dòng)力動(dòng)車組系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供了良好的借鑒。