电传动混合驱动系统的研究及应用

王秀波 张永超

摘 要：内燃电传动系统、蓄电池电传动系统已在铁路领域大面积应用，文章介绍了2种系统的应用现状、国内铁路的环境条件，通过内燃电传动系统和蓄电池电传动系统混合驱动与单一内燃动力传动系统的对比分析，得出电传动混合驱动系统设计具有明显优势。同时为适应长大坡道线路，该设计在 GCD-100Ⅱ型混合动力轨道工程车上成功进行应用，表明电传动混合系统在提升工程车运用范围和节能环保方面，与单一内燃动力传动系统相比，也具有明显优势。

关键词：铁路;工程车;电传动;混合驱动;节能环保

中图分类号：U273

随着我国铁路快速发展，长大坡道线路层出不穷，尤其川藏区域线路大多属于长大坡道线路，且藏区线路具有高海拔、空气稀薄、昼夜温差大、风沙大等环境特点。传统轨道工程车传动效率低、传动型式单一、互换性差，在藏区长大下坡道运行时制动力弱。而在隧道内运行及作业时存在发动机排放污染重、噪声大等问题。因此，拟研究一种集内燃电传动和蓄电池电传动于一体的混合驱动系统，既可实现隧道外高速运行，也可满足于隧道内“绿色”运行的需求。该设计在铁路轨道工程车领域尚属首次，未来有着极大的发展空间及技术前景。

1 现状

1.1 国内内燃电传动或混合电传动研究应用现状

通过技术调研及查询相关资料，国内主要有以下几种内燃电传动或混合电传动系统。

（1）中车长春轨道客车股份有限公司研制开发的接触网、动力包和储能装置混合供电的动车组牵引系统。该系统采用接触网供电+内燃交流供电+电容电阻储能装置供电的混合供电模式，其中接触网供电用于动车组正常运行及生活用电，内燃交流供电用于动车组应急运行及生活用电，电容电阻储能装置用于动车组内燃交流供电模式下的制动能量收集、运行时的能量补充和生活用电。

（2）中车戚墅堰机车有限公司研制开发的基于四象限变流器实现交流供电的内燃机车。该系统采用单独大功率发电机组供电，大功率发电机组用于整车正常运行和生活用电。

（3）广州电力机车有限公司研制的利用超级电容的动力系统。该系统采用超级电容供电，超级电容用于整车正常运行和生活用电。

（4）中车资阳机车有限公司研制开发的大功率内燃-电力双动力源干线机。该车由3节车组成，采用接触网供电+内燃交流供电，其中接触网供电用于机车在电气化线路的正常运行及生活用电，内燃交流供电用于机车在非电气化线路的运行及生活用电。

（5）中车大连机车研究所有限公司研制开发的HXN3C混合动力调车机。该车采用内燃交流供电+蓄电池供电，其中内燃交流供电用于机车的正常运行及生活用电，蓄电池供电主要用于机车的应急运行及生活用电。

（6）中车资阳机车有限公司研制开发的HXN6型混合动力调车机。该车采用内燃交流供电+蓄电池供电，其中内燃交流供电用于机车的正常运行及生活用电，蓄电池供电用于调车运行及生活用电。

（7）中车株洲电力机车研究所有限公司研制开发的地铁蓄电池工程车。该车采用接触网供电+蓄电池供电，接触网供电用于驱动整车运行，蓄电池供电用于接触网断电时的整车运行、作业及生活用电。

1.2 轨道工程车的应用环境及应用工况

轨道工程车是适用于中国铁路全路的自轮运转设备，通过对比分析，青藏线路的应用环境在全路最为恶劣，因此对青藏线路的环境条件及整车运用工况进行介绍。

（1）青藏线地处高原地区，海拔≥4000m，环境温度-30～+ 45℃。

（2）青藏线地势落差大，普遍为≥25‰（甚至达到33‰）的长坡道。

（3）青藏线电气化线路占比约60%。

（4）轨道工程车主要用于供电接触网的维护、工务线路和桥隧的维护，供电接触网维护和工务桥隧维护时接触网断电，且维护“天窗”时间约3h。

2 电传动混合驱动系统方案

根据以上应用现状及相关资料查询，电传动已广泛应用于铁路机车领域，混合电传动也逐步应用于铁路机车及动车领域。

通过应用环境条件及工况分析，研究开发一种可在非电气化区段高速运行，在隧道内无污染、低噪声“绿色”运行，且配备空气制动+电阻制动（仅电传动可配备），并满足长大下坡道制动需求的內燃电传动+蓄电池电传动的混合驱动系统，是满足当下全路轨道工程车正常运用的最优方案。

2.1 系统组成及布置

电传动混合驱动系统主要由4个轮对、4个牵引电机、2套发电机、2 套柴油机、动力蓄电池和牵引变流器等组成。系统组成及布置如图1所示。

2.2 动力传递方式

电传动混合驱动系统的动力传递有以下3种方式。

（1）轨道工程车由柴油机作为动力驱动（图2）。该方式动力传递路线适用于工程车隧道外运行时，由柴油机输出端驱动发电机，产生交流电，通过牵引变流器整流，逆变为稳定的380V交流电，供牵引电机驱动轮对、供电动泵站驱动作业装置、供电动空压机给空气制动系统充风、供电动机驱动散热风扇及供空调、灯、电暖器、插座等用电。满足整车运行、作业、制动、散热及生活需求;满足轨道工程车隧道外以≥120 km/h的速度高速运行及作业的需求。

（2）轨道工程车由蓄电池作为动力驱动（图3）。该方式适用于工程车隧道内运行，由动力蓄电池产生直流电，通过牵引变流器整流、逆变为稳定的380V交流电，供牵引电机驱动轮对、供电动泵站驱动作业装置、供电动空压机给空气制动系统充风、供电动机驱动散热风扇及供空调、灯、电暖器、插座等用电。满足整车运行、作业、制动、散热及生活需求;满足工程车隧道内以≤40km/h的速度运行及作业的需求。

（3）轨道工程车由柴油机及动力蓄电池混合作为动力驱动（图4）。该方式适用于轨道工程车全线（隧道外与隧道内）运行时，由柴油机输出端驱动发电机产生的交流电及动力蓄电池产生的直流电，通过牵引变流器整流、逆变为稳定的380V交流电，供牵引电机驱动轮对、供电动空压机给空气制动系统充风、供电动机驱动散热风扇及供空调、灯、电暖器、插座等用电。满足整车长距离和大坡道运行、制动、散热及生活需求;满足工程车在33‰ 坡道以≥78km/h的速度运行及作业的需求。

2.3 传动效率

轨道工程车采用不同驱动系统的效率如下：①柴油机驱动效率：96%（发电机组，即柴油机+发电机）×99%（牵引变流器）×95%（轮对）≈90.288%;② 蓄电池驱动效率：99%（蓄电池）×99%（牵引变流器）×95%（轮对）≈93.1095%;③柴油机及蓄电池共同驱动效率：96%（发电机组，即柴油机+发电机）×99%（蓄电池）×99%（牵引变流器）×95%（轮对）≈89.385%;④液力传动效率：86%（液力传动箱效率）×99%（传动轴效率）×95%（车轴齿轮箱效率）≈80.883%。

通过以上分析，轨道工程车采用电传动混合驱动系统（柴油机、蓄电池或共同驱动）具有明显的效率优势。

3 动力牵引性能

根据GB/T 10082-2010《重型轨道车技术条件》及TB/T 2180-2018《电气化铁路接触网检修作业车》的要求，铁路轨道车、作业车等轨道工程车最大轴重23t，则整车最大重量≤23t，预设安全余量，单机按照90t计算，本系统（四轴车辆）动力采用柴油机、蓄电池及混合驱动时的牵引特性曲线如图5所示。

系统动力采用柴油机、蓄电池及混合驱动时的牵引特性数据如表 1所示。

4 动力蓄电池

4.1 蓄电池性能分析

相比铅酸、镍氢、镍镉、钛酸锂、钴酸锂等类型的蓄电池和超级电容，磷酸铁锂动力电池能量密度高，允许的放大电流大，高温性能优异，且安全可靠，性价比高。国内外研发的混合动力机车蓄电池多选用磷酸铁锂动力电池作为机车的储能装置。

本系统动力蓄电池采用磷酸铁锂电池，电池充电温度范围为-20～55℃，其中-20～0℃是在车辆制动时的反馈充电范围，0～55℃是蓄电池的正常充电范围;放电范围是-30～60℃（满足青藏线路的环境温度）。因此，根据蓄电池的充放电范围和温升情况，增加电暖器辅助加热（寒冷环境）和空调降温（温热环境）措施，以提高蓄电池的充放电安全性能和效率。不同温度下动力电池电压与剩余电量（SOC）的关系如图6所示，不同温度下电池温升与SOC的关系如图7所示。

4.2 节能环保分析

双动力系统（2台柴油机+ 2台发电机）工程车在隧道内运行、作业时，采用蓄电池作为驱动动力。相比传统单一内燃动力传动系统（全程采用柴油机）驱动整车在隧道内运行或作业，可大量减少柴油消耗以及污染物排放。

4.2.1 柴油机燃油消耗、污染物排放及噪声分析

假设单一内燃动力传动系统车辆采用2台QSK19型柴油发动机运行、作业，柴油机最大运行转速为1800r/min，在最高燃油消耗工况下，隧道内运行及作业每天3h，每月出车20天，全年12个月均出车，燃油消耗、污染物排放及噪声情况如下。

（1）柴油机燃油消耗。QSK19型柴油发动机燃油消耗及功率随转速的变化曲线如图8、图9所示。可以看出车辆以最高运行速度（即转速1800r/min）运行时，柴油机最大燃油消耗率約225g / kW · h，柴油机最大燃油功率约522 kW，车辆消耗的柴油价值为：

5 结语

目前，该设计系统已应用于GCD-100Ⅱ型混合动力轨道车。该车主要用于青藏线铁路施工、物料牵引和运输，也可用于铁路施工异常救护，最高运行速度120km/h，隧道内采用蓄电池驱动、运行及作业，最高运行速度40 km/h，运行轴列式为B0-B0。

电传动混合驱动系统与传统的单一内燃驱动轨行机械相比，可适应多种环境条件及工况下的运行及作业需求，大幅提升了工程的应用范围，能够有效提高运行能效、降低燃油消耗、减少污染物排放、降低噪声污染，能够有效的改善隧道内施工作业环境，是适应轨道工程车节能环保要求的有效工程设备。

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收稿日期 2019-04-16

责任编辑 司玉林