东方红5型新0411号混合动力机车运用效果分析

薛 超,朱 兵,邓伯勇

(中车资阳机车有限公司产品研发中心, 四川 资阳 641301)

2019年,为大力推广混合动力技术,中车资阳机车有限公司立项开展液力传动机车的混合动力改造技术研究及东方红5型0411号机车改造研制,计划装车电池电量满足半日公司内调车作业需求。2020 年7月,东方红5型 0411号液力传动机车的混合动力机车(简称新0411号机车)改造完成,由常用功率为100 kW的柴油发电机组和210 kW·h电量的磷酸铁锂动力电池分别或同时给中间回路供电,主传动及辅助传动从中间回路取电,三相异步交流电机通过中间齿轮箱以及车轴齿轮箱驱动轮对实现机车走行。

为了分析液力传动内燃机车改造为混合动力机车的运用效果,评估既有液力传动机车改造为混合动力机车的技术应用是否成功,本文以新0411号机车的作业工况为基础,对其电池冷却、电池使用寿命和机车节油情况等方面进行分析研究。

1 作业工况

对新0411号机车进行为期一个月作业工况写实,主要包括作业钩次、作业里程、牵引质量。新0411号机车共作业了25 d,700钩次,平均每天运行里程10 198 m,具体数据见表1。

表1 新0411号机车作业工况数据

新0411号机车设计输入数据见表2。

表2 新0411号机车设计输入数据

对比表1和表2发现,新0411号机车单钩最大牵引质量小于设计输入质量,为设计输入质量的50%;单钩作业平均运行里程也小于设计输入单钩平均运行里程,约为原输入设计单钩平均运行里程的50%。

2 能耗分析

鉴于新0411号机车的作业工况写实数据小于改造时设计输入数据,理论上,新0411号机车装车电量能够满足目前公司内半日调车作业需求。

为了验证该结论,下文从理论计算和实际运用数据两方面进行分析。

2.1 能耗理论计算

机车单钩计算牵引能耗:

WJ=FS

(1)

式中:WJ为单钩计算牵引能耗,J;F为牵引力,N;S为移动的距离,m。

根据表1中的数据信息,计算单钩列车牵引力F:

(2)

单钩机车总能耗:

(3)

式中:WD为单钩机车总能耗,kW·h;η为新0411机车效率,取0.75。

机车半日计算总能耗:

(4)

式中:W为机车半日计算总能耗,kW·h;n为半日所有钩次数,钩。

经计算可得,新0411号机车一个月中半日最大计算能耗为26 kW·h,说明新0411号机车装车电量能满足目前公司半日调车作业需求。

2.2 实际能耗数据统计分析

对新0411号机车一个月微机记录能耗数据进行统计,机车半日平均能耗为21 kW·h,半日实际最大能耗为40 kW·h,具体数据见表3。由表可知,新0411号机车装车电量能够满足目前公司内半日作业需求。

表3 能耗数据 单位:kW·h

3 电池冷却效果分析

动力电池温度过高会降低其寿命甚至引发事故,温度过低会影响其使用性能,所以对动力电池温度进行分析十分必要。

根据新0411号机车动力电池温度控制要求可知,机车正常运行时整个动力电池所有单体在同一时刻的最大温差应小于8 ℃,具体见表4。

表4 新0411号机车动力电池正常温度相关规定 单位:℃

通过对新0411号机车动力电池温度数据的统计和分析可以看出,动力电池温度分布在23～33 ℃,同一时刻最大温差为4 ℃,具体数据如图1所示。从图1可知,在目前的作业工况下,新0411号机车动力电池温度在规定范围内,电池冷却效果良好。

图1 新0411机车动力电池一个月温度变化

4 动力电池寿命评估

动力电池寿命分为循环寿命和日历寿命两种。循环寿命指动力电池容量降到某一规定值前,能反复充放电的次数[1];日历寿命指电池在一定搁置条件下性能衰减至某个程度所用的时间[2-3]。本文依据磷酸铁锂电池的循环寿命,结合新0411号机车作业和写实数据对动力电池循环寿命进行评估,然后再通过电池日历寿命定义对电池的使用寿命进行评估。

新0411号机车动力电池SOC一个月累积增减量变化,如图2所示。从图2可知,一个月内SOC累积增加528%,SOC累积减少500%,即全充放电循环次数约5次,按动力电池2 000次循环寿命[4-5]计算,新0411号机车动力电池使用寿命可达33 a,而新0411号机车动力电池的日历寿命为10 a,因此新0411号机车动力电池的使用寿命为10 a。

图2 SOC一个月内累积增减量

5 节油效果分析

混合动力机车节油主要体现在以下3方面:第一,机车待命时,柴油机停机,动力电池工作,节省柴油机惰转油耗;第二,当动力电池SOC下降到一定值,启动柴油机使其始终在燃油经济区工作并为动力电池充电,降低其燃油消耗;第三,机车制动时,制动能量回收给电池充电[6]。

对于第一方面,根据新0411号机车挡位使用情况(见图3),机车常用挡位集中在0、1、2、3挡位,惰转(0挡位)时间最长,占总运行时间的61.39%;4～7挡位基本不使用,仅在偶尔提高机车速度情况下使用。

图3 挡位使用频率

对于第二方面,由于新0411号机车无法统计柴油机在每个挡位下的具体工作时间,因此无法对新0411号机车在该方面的节油效果进行评估。

对于第三方面,新0411号机车工况:平均速度为7 km/h,最大坡度约为4‰。机车运行速度低且线路坡道小,制动能量回收可忽略不计。

故本文仅对机车惰转时节油情况进行分析。

5.1 惰转耗电量分析

惰转耗电量可由下式计算:

(5)

式中:Q0为0挡位惰转耗电量,kW·h;Q为所有挡位耗电量,kW·h;T0为0挡位放电总时间,h;T为所有挡位放电总时间,h。

由图2可知,新0411号机车单月SOC下降500%,换算成电量为1 050 kW·h,所有挡位放电总时间和0挡位放电总时间数据见表5。

表5 放电时间统计 单位:h

通过式(5)计算,得新0411号机车单月惰转耗电量为570 kW·h。

5.2 动力电池充放电倍率统计分析

新0411号机车常用0～3挡位,对应放电倍率如图4所示。从图中可以得知,动力电池充放电倍率随挡位增加而增加,0～3挡位电池的放电倍率范围为0.02C～0.42C,其中C为电池本身容量,A·h/MA·h。

图4 常用0～3挡位充放电倍率

5.3 节油率分析

新0411号机车惰转工况下节油率w计算公式如下:

(6)

式中:L2为原东方红5型0411机车惰转需要油耗,L;L1为新0411号机车惰转需要油耗,L。其中,原东方红5型0411机车柴油机惰转需要油耗L2为:

L2=∂·T0

(7)

式中:∂为原东方红5型0411机车柴油机惰转油耗率,L/h,∂取值17.3 L/h[7]。经计算可得L2为553.6 L。

新0411机车惰转需要油耗L1计算公式如下:

L1=Q0/(η1η2ξ)

(8)

式中:η1为动力电池充电效率,取值0.97;η2为动力电池放电倍率,取值0.95;ξ为1 L燃油可发电量,取值3.5 kW·h/L。结合式(5),可得新0411号机车惰转需要油耗为176.7 L。

综合式(6)～(8),可得新0411号机车惰转工况下节油率为68%。

6 结束语

本文对东方红5型液力传动内燃机车改造为混合动力机车运用效果进行了研究,结果表明,改造后的东方红5型新0411号混合动力机车相对原液力传动内燃机车可节油68%,且其动力电池冷却性能良好,使用寿命可达10 a,验证了将液力传动内燃机车改造为混合动力机车的技术是可行且成功的,机车各项性能达到要求且节油效果明显,为今后其他型式液力传动内燃机车再造为混合动力机车提供了数据参考和依据。