浅析国内混合动力动车组的发展

王雁飞 王成涛 荀玉涛

(中车长春客车股份有限公司国家工程技术研究中心 吉林 长春 130062)



浅析国内混合动力动车组的发展

王雁飞 王成涛 荀玉涛

(中车长春客车股份有限公司国家工程技术研究中心 吉林 长春 130062)

结合我国混合动力动车组的市场需求，分析了混合动力动车组的结构原理，对其关键技术进行了探讨。在此基础上分析了混合动力动车组在国内的发展前景以及需要解决的问题。

混合动力动车组；能量管理；电池组；动力包；牵引控制

随着国内动车组的快速发展，电气化铁路日益增加，根据我国《中长期铁路网规划》，预计2020年，电气化铁路将占全国铁路运营里程的60%。非电气化铁路和电气化铁路将长期共存，如何实现电气化与非电气化线路、干线铁路与支线铁路、客运专线与普通铁路的跨线运输逐渐被关注。

此外，国内自然灾害频发，为顺利开展应急情况下的救援工作，客观上也需要在应急条件下具备物资运输和移动供电能力的轨道交通车辆。所以研发传统内燃动车组和电力动车组结合体的混合动力动车组是解决上述问题的关键。

1 混合动力动车组概述

1．1 混合动力动车组概念

混合动力动车组是指动车组上设置2种或2种以上不同类型的动力源，车辆的行驶动力依据车辆行驶状态由单个或多个动力源共同提供。常用的动力源包括：(1)电力(来自接触网，例如：AC25 kV/DC1 500 V)；(2)热动力源(由传统的柴油机产生)；(3)电动力源(动力电池或超级电容)[1]。

1．2 混合动力动车组工作原理

混合动力动车组依据动力源的组合方式，可以分为电-电混合动力动车组和油-电混合动力动车组。其中电-电混合动力动车组的动力来源包含电力和电动力源；油-电混合动力动车组的动力来源包含热动力源和电动力源。下面以中车长春客车股份有限公司(以下简称中车长客股份公司)研制的电-电混合动力动车组(EEMU型动车组)和油-电混合动力动车组(DEMU型动车组)为例，介绍混合动力动车组的工作原理。

混合动力动车组以中车长客股份公司研发的城际动车组为技术平台，主要对牵引、网络、动力电池组(蓄电池)、内燃动力包(集成柴油机+联轴节+发电机+冷却系统)、动力学车头及制动等系统进行全新研发。该型动车组采用3辆编组模式，2动1拖动力配置，可以重联运行。

EEMU型动车组包含2套相对独立又相互关联的动力系统，其中一套动力系统为AC25 kV供电系统，主要包括车顶高压设备、主变压器、牵引变流器、牵引电机。另一套动力系统为动力电池供电，全列共设置4个动力电池箱。

AC25 kV供电模式下，动车组采用受电弓受流，通过车顶高压检测和主断路器控制，直接从AC25 kV接触网得电传到牵引变压器，变压后得到牵引变流器可以使用的输入电源，再通过集成的牵引逆变器驱动牵引电机，如图1所示。

动力电池供电模式下，高压系统和牵引变压器停止工作，牵引变流器中集成的四象限整流器停止工作，动力电池组通过牵引变流器中集成的DC/DC控制器与牵引变流器中的中间直流环节联通，然后通过牵引变流器中集成的牵引逆变器驱动牵引电机。EEMU型动车组的动力电池组用于持续功率放电，采用了能量密度大的磷酸铁锂电池。电池采用2组并联方式，其中1组电池故障时，仍有1组电池可以工作。在无接触网条件下，动力电池可以完全吸收电制动反馈回的能量，并存储在电池中，以备下次牵引再次利用。

图1 EEMU型动车组牵引系统工作原理图

DEMU型动车组包含2套相对独立又关联的动力系统，其中一套为AC25 kV供电系统，该系统与EEMU型的AC25 kV供电系统完全相同。另一套为内燃动力包和动力蓄电池混合供电。

AC25 kV供电模式下，DEMU型和EEMU型动车组工作原理相同。内燃动力包和动力蓄电池混合供电模式下，高压系统及牵引变压器停止工作，内燃动力包向牵引变流器供电，再通过集成的牵引逆变器驱动牵引电机。动力电池组可根据车辆运行状态，适时提供车辆的驱动能量，即通过牵引变流器中集成的DC/DC控制器与牵引变流器中的中间直流环节联通，然后通过牵引逆变器驱动牵引电机，实现与内燃动力包的混合驱动，提升起动性能。动力电池也可以完全吸收电制动反馈回的能量，并存储在电池中，以备下次牵引再次利用，实现能量的回收再利用，如图2所示。

图2 DEMU型动车组牵引系统工作原理图

1．3 混合动力动车组的优势

混合动力动车组相比较传统内燃动车组和电力动车组，具有以下优点：(1)跨线运行；(2)应急救援，在电气化铁路出现故障时，可自救和救援纯电动动车组；(3)实现制动能量的回收再利用；(4)动力电池可作为应急移动电源使用。

2 混合动力动车组的关键技术

混合动力动车组是集成了电力动车组和内燃动车组的优秀技术成果，并在此基础上衍生出的一种新型动车组。由于其独特的工作原理和结构，使其具有一些关键技术如系统集成技术、能量管理技术、牵引控制技术、动力电池组技术和动力包技术等。

(1)系统集成技术。是实现整车性能的关键技术，主要包括：电力供电与动力电池供电的牵引系统集成、电力供电和油-电混合(动力包和动力电池)驱动的牵引系统集成、动车组的能量管理系统、动力包和动力电池混合驱动的系统集成、列车牵引系统与制动系统的匹配、列车网络系统与其他各子系统间的接口匹配等。

(2)能量管理技术。主要包括:整车能量分配方案，分为整车CCU控制与牵引变流器TCU控制两部分，其中整车CCU控制部分主要对辅助功率进行分配和调整，TCU控制部分主要是按照运行工况，如启动、惰行、制动、停车、过分相等工况进行能量的调整和分配。

(3)牵引控制技术。主要包括:适用多种电源输入的牵引变流技术，基于通信的动力包控制及电池充放电技术，基于载波移相的消谐技术，基于“异步+同步+SHEPWM+方波”的多模式调制技术，模块化、轻量化设计技术。

(4)动力电池组技术。主要包括：动力电池组选型、动力电池组成组技术、动力电池组加热保温技术、电池组功率控制技术、电池组热管理技术。

(5)动力包技术。主要包括：动力包选型(受安装空间的限制需要设计高度集成的动力包，柴油机的冷却系统、进排气系统及部分控制系统均集成在动力包内)、动力包隔热控制技术、动力包噪音控制技术。

3 混合动力动车组在国内的开发与应用

混合动力动车组在国内的研究和应用尚处于起步阶段。柴油动力包技术已经取得突破，MTU、福伊特等动力包分供商已经开发出成熟的内燃动力包(柴油机+联轴节+发电机+冷却系统)。锂电池行业作为国家重点发展和大力扶持的产业，随着锂电池在电动汽车以及电力和光伏储能等方面的应用数量的增加，电池的性能提升和价格下降都有较大的空间，锂电池全寿命周期的运营费用将进一步降低。上述技术的发展成熟为研发混合动力动车组提供了技术支撑和科学依据。

2008年，中车资阳机车有限公司联合株洲中车时代电气股份有限公司和中车时代电动汽车股份有限公司开始研制混合动力交流传动内燃机车，并成功试制出了CKD6E5000型混合动力交流传动调车内燃机车[2]。

该型混合动力交流传动调车内燃机车，最高运用速度为80 km/h，轴式为B0-B0，动力采用600 kW的柴油机和250 kW(持续20 min放电)的磷酸铁锂动力蓄电池组。较传统内燃机节约燃油30%～50%、减少废气排放30%～50%。

2013年，中车长客股份公司在国内率先开始研制混合动力动车组，并联合北京交通大学、大连交通大学、中车青岛四方车辆研究所有限公司和北京纵横机电技术开发公司组成开发团队。目前已成功试制出了2种模式的混合动力动车组，分别是：弓网供电(AC25 kV) + 动力电池组(简称EEMU型)和弓网供电(AC25 kV) + 内燃牵引动力包 + 动力电池”(简称DEMU型)。混合动力动车组在有接触网区间运行时，采用受电弓受流，由AC25 kV为动车组提供动力，最高运行速度为160 km/h；在无接触网区段运行时，采用动力电池组或内燃牵引动力包为动车组提供动力，最高运行速度为120 km/h。

4 结语

目前，国内外尚无成熟的混合动力动车组，混合动力技术仍处于起步阶段。但随着柴油内燃动力包、动力电池组技术发展趋于成熟，混合动力动车组的发展必将步入一个新阶段。

[1] 尹 华．混合动力动车组需求分析及关键技术研究[M]．济南：山东工业技术，2014．

[2] 孟玉发,彭长福,王选民．CKD6E5000型混合动力交流传动内燃调车机车的研制．铁道机车车辆[J]，2011,31(4)：1-4．□

(编辑：缪 媚)

Analysis of the development of hybrid-poweredmultiple unit train in China

WANG Yanfei;WANG Chengtao;XUN Yutao

In consideration of the domestic market demand for hybrid powered multiple units, this paper analyzes the structure principles of hybrid powered vehicles and probes into their critical technologies, apart from analyzing their development perspective and problems to be addressed.

hybrid-powered multiple unit; energy management; battery pack; power unit; traction control

2095-5251(2016)04-0001-03

2016-02-23

王雁飞(1981-)，男，本科学历，工程师，从事车辆设计工作。

U270

B