干线用混合动力车组动力电池及动车组控制策略研究

韩 笑，刘顺国，郭 力

(中国中车资阳机车有限公司技术中心，四川 资阳 641301)

0 引言

为适应内燃机车发展的新要求，国内外各公司陆续开始进行混合动力新车型的开发，加拿大Rail Power、美国GE、Brookville、法国Alstom、德国Schakle、日本Toshiba等多个公司均开发过混合动力机车，部分公司还曾进行了旧车的混合动力改造工作，但还没有公司提出混合动力车组的概念。

本文介绍的混合动力车组是为满足发达国家环保要求而开发的全新的混合动力模式，采用传统内燃机车重联纯动力电池机车的方式，2车未重联时分别有独立牵引的能力，同时2车的主传动系统和控制系统等关键系统可以进行重联，重联后整体相当于一个混合度50%左右的动车组，能够实现混合牵引、动力制动能量回收等混合动力车的关键功能，起到大功率牵引、节省燃油和降低排放的目的。与单独开发混合动力新车型和旧内燃机车进行混合动力改造相比，混合动力车组更灵活，对旧车的改动更小，且利用率高，能充分发挥混合动力机车的优势，是一种现阶段切实可行的干线牵引混合动力方案。

而成功研制混合动力车组的关键技术是确定与线路及牵引方式相适宜的动力电池容量及混合动车组控制策略。因此本文针对澳洲某条特定干线线路对该混合动车组的编组、混合动力电池容量、混合动力控制策略等进行方案研究与仿真计算。

1 混合动力车组编组方案

干线用混合动力车组目标是以混合动力牵引模式(1台内燃交流传动机车+1台纯蓄电池机车)替代2台内燃交流传动机车重联牵引的模式，混合动车组编组模式如图1所示。目标客户传统运营编组模式为2台3 000 kW内燃交流传动机车重联牵引，为保证混合动力车组牵引性能不低于传统运营编组，混合动力车组编组总功率(相当于柴油机装车功率)须大于等于6 000 kW，采用1台3 000 kW内燃交流传动机车+1台3 000 kW纯蓄电池机车。

图1 混合动车组编组模式

车组主要技术参数如下:功率大于等于6 000 kW；轴重：22.3 t；轴式：(C0-C0)+(C0-C0)；启动牵引力：2×600 kN；尺寸牵引力：2×520 kN；最高运行速度：120 km/h；持续速度：16 km/h；电阻制动功率大于等于4 500 kW；限界：RoA Manual Diagram 18-1 Plate A。

2 混合动力车组动力电池方案

混合动车组要求装车动力电池组容量大、重量轻，因此动力电池组采用磷酸铁锂电池，系统电量3 080 kW·h，电压1 408 V，容量2 188.8 Ah，采用容量与功率兼顾型圆柱3 600 mAh磷酸铁锂电池。整体动力系统由外廓相同的40个动力蓄电池单元串联组成。每个动力蓄电池单元由电池模块、管理系统从控盒、高压接插件、面板、承重式电池箱体框架等组成。动力电池组安装在具有防御雨、雪、风、沙、通风、保暖的电池仓内，满足机车的振动和冲击要求。

动力电池组主要技术指标如下：电池类型为：IFR26650-3 600 mAh；组合方式为：440s 608p；系统标称电压为：1 408 V；系统额定容量为：2 188.8 Ah；充电方式为：CC/CV；充电最高电压为：1 606 V；持续充电电流为：2 188 A(1C)；最大充电电流为：3 283 A(1.5C)；持续放电电流为：2 188 A(1C)；循环寿命为：不少于2 500次；工作温度范围：充电为0℃～55℃，放电为-20℃～55℃。

3 混合动力车组控制策略

混合动力车组在干线上运用时，须保证纯电动机车不停机情况下可以持续提供牵引功率，且动力蓄电池能达到最佳循环寿命和机车运用最大经济性的目的。为达到以上目的，先制订基本控制策略，并通过仿真计算证明该控制策略在目标线路(澳洲North Goulburn到Harden 160 km之间来回运用)运用是可行的。

3.1 “1台纯动力蓄电池动力机车+1台内燃交流传动机车”的混合动力车组基本控制策略

混合动力车组在干线上运用时有3种工作模式，动力车组需要大功率牵引时，双机同时输出牵引功率的混合牵引模式(见图2)、混合动力车组牵引功率小于纯内燃单机牵引功率时，将使柴油机尽量工作在经济区，满足牵引后的多余功率向动力电池机车充电的模式、混合动车组电阻制动时制动能量回馈给动力电池机车充电的模式，如图3所示。

图2 内燃机车与纯蓄电池机车共同牵引

图3 纯蓄电池机车充电

当混合动车组混合牵引时为了减少机车加速时间，并保证机车续航能力，应优先使用内燃机车动力。当动力电池组荷电状态SOC(state of charge)高于特定值时，混合牵引功率中动力电池输出功率与内燃机车输出功率比为1:1，随着动力电池组SOC的降低逐步降低纯动力电池机车在混合牵引动力中的占比，并提高内燃交流传动机车功率，直到达到该档位目标功率或内燃交流传动机车的最大功率。

当混合动车组中动力电池SOC低于特定值时，内燃机车工作在满功率状态，满足牵引后的功率给动力电池充电。

当混合动车组制动时，其机车制动能量优先用于动力蓄电池充电，动力蓄电池充电能力不足时，用内燃交流传动机车电阻制动进行补充。

3.2 对特定线路进行仿真计算，确定混合动力车组控制策略

在目标线路(澳洲Goulburn到Harden线路进行货车牵引)针对运行工况进行仿真计算，总结混合动力车组的动力电池使用情况从而确定最佳电池放电倍率，在满足全线不停机充电的条件下，最大化提高电池使用率，保证机车最佳运行经济性，确定混合动车组最终控制策略。

3.2.1 线路情况

Goulburn到Harden整条线路全长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‰，爬坡最小曲线半径400 m。全线海拔变化如图4所示。

图4 Goulburn到Harden全线海拔变化趋势

对于混合动力车组来说，机车牵引上坡放电，下坡充电，起伏状线路最适合混合动力车组牵引运行，能够充分发挥混合动力的优势，实现节省燃油，降低排放的目的。

3.2.2 仿真计算

牵引运行仿真计算采用有限元方法和思路，将澳大利亚Goulburn到Harden线路全长分成等长(每隔10 m)的有限个区段，采取拟定的编组方式(1台纯动力电池机车+1台内燃机车共同牵引3 000 t货物)和一系列机车控制策略依次对每一区段进行牵引运行计算，输出计算后的边界结果，同时作为下一区段的计算用边界条件，最终得到不同条件下的速度、时间、耗电量和油耗等计算结果，同时得到每一特定点或路段的牵引运行状况。

3.2.2.1 正向牵引

正向线路为起伏下坡，全线干线混合动力车组的正向牵引仿真速度如图5所示，电池电量变化如图6所示，正向牵引仿真计算结果对比如表1所示。

图5 正向牵引速度变化

图6 正向电池电量变化

通过该仿真计算对正向路线上纯电池机车搭配内燃交流传动机车的牵引运用情况进行分析，当出发时动力蓄电池SOC达到95%，正方向牵引用动力蓄电池采用最大1C放电、1.5C充电(见表1放电策略1)，到终点时SOC不低于47.5%，全程电量最低点位34%，且通过速度与2台内燃交流传动机车牵引相当。若加大电池放电倍率，以最大1.1C(3 300 kW)放电、1.5C充电(见表1放电策略2)，则电池电量依然足够全程使用。到终点时SOC不低于41%，全程电量最低点为27.6%；速度相比1C放电仅提高2%。因此，考虑到动力蓄电池使用寿命，采用电池最大放电倍率1C方式最佳。

表1 正向牵引放电策略仿真计算结果对比

3.2.2.2 反向牵引

反向线路为起伏上坡，全线干线混合动力车组的反向牵引仿真速度如图7所示，电池电量变化如图8所示，反向牵引仿真计算结果对比如表2所示。

图7 反向牵引速度变化

图8 反向电池电量变化

表2 反向牵引放电策略仿真计算结果对比

续表2

反向牵引时因为线路为起伏上坡，故机车负荷较大，所需电量较大，为保证电池电量全线不低于25%，仅可采用最大0.5C(1 500 kW)放电、1.5C充电(见表2放电策略1)，在此条件下，到终点时SOC不低于43%，全程电量最低点为27%，可以满足牵引需求，但因为牵引功率降低，通过速度比2台内燃交流传动机车重联时降低了15%。因此须考虑其他控制策略以解决速度降低问题，如在电量比较紧张的线路上，还可以采用停机充电和全线柴油机额定转速多余做功充电2种补电方式。前者虽然电量得到补充，但对通过时间影响较大，仅可用于有停车、会车等情况。而后者可以在途中让柴油机工作在经济油耗点的同时给动力电池补充一定电量，虽然油耗增加，经济性降低，但是可以提高通过速度。但采用此种方式需要注意，因为上坡时柴油机功率几乎都用于牵引，无多余做功；而下坡时动力制动回收已经让电池在最大倍率充电，故该方式多用于平直道、小坡道区段，以及停机怠速时。

通过仿真计算发现，该线路因为平直和小坡道区段较少且全程不停机，故采用柴油机多余做功充电，补电量较少。通过计算发现，当采用全线柴油机额定转速多余做功充电策略时，该线路柴油机可以给动力蓄电池充电SOC 15%，放电倍率可提高到最大0.58C(1 750 kW) 、1.5C充电(见表2放电策略2)，到终点时SOC不低于45.8%，全程电量最低点为25.5%，通过速度提高3%，可基本满足运用要求。

3.2.3 仿真计算结果分析

通过仿真计算分析得到：当混合动车组动力电池功率和柴油机功率为1:1时，采用SOC不小于50%时，优先使用动力蓄电池的电能给列车加速；SOC低于50%后，逐渐降低动力蓄电池放电倍率(当SOC在40%～50%时，放电倍率0.5C；当SOC在30%～40%时，放电倍率0.3C；当SOC在20%～30%时，放电倍率0.15C)，延长纯动力蓄电池动力机车续航时间；当SOC低于20%时，动力蓄电池停止放电的控制策略可以满足运用要求，且节能效果较好。此时混合动车组在正向牵引时无需柴油机牵引多余做功充电或者停机充电，与2台内燃机车牵引相比，在通过速度与实际相当的情况下，全线依靠车载电池电量以及下坡制动能量回收的电量，可以减少燃油消耗50%(1 335.5 L)；反向牵引时依靠车载电量以及下坡制动能量回收的电量，可以减少燃油消耗33%(1 061.6 L)。

4 结语

本文中提出的电池方案及控制策略在澳大利亚North Goulburn到Harden线路上取得了良好的仿真效果，当该车组用于其他线路时，应按文中所述，先收集运营线路数据，然后结合基本控制策略和机车性能进行多次仿真计算并对比结果，初步确定最大放电电流和能满足该线路运营要求的控制策略，并综合考虑通过性、经济性等目标，从而确定理想的控制策略。再通过线路试运行验证后，调整参数或策略，以期最终确定最适合该条线路的经济适用的机车方案和牵引控制策略。