混合动力动车组需求分析及关键技术研究

摘 要：混合动力动车组突破传统的内燃动力动车组和电动动力动车组模式，采用混合动力的模式，是一种新型的动车组产品，在我国支线铁路等重点区域有着广阔的应用前景，本文结合我国混合动力动车组的市场需求分析，提出混合动力动车组的概念，重点分析混合动力动车组需要解决的关键技术；对我国谱系化动车组技术发展方向具有重要的指导意义。

关键词：混合动力动车组；混合动力；关键技术

1 引言

混合动力动车组是一种满足市域中短距离铁路运输需要而提出的新型动车组，对于弥补当前铁路运输的不足，充分发挥铁路运输节能、环保、高效等特点具有非常重要的意义。

2 混合动力动车组需求分析

2.1 混合动力动车组可实现电气化与非电气化铁路间跨线运行，具有大密度、小运量、灵活编组等特点，有广阔市场前景

截止2012年底，我国电气化铁路占全国铁路线路的53%；根据《中长期铁路网规划》，预计2020年，电气化铁路将占全国铁路线路的60%，非电气化铁路仍将长期占有很大比例，例如我国东北地区一直存在电气化线路与非电气化线路共存的现状（如图1所示）。此外，由于我国幅员辽阔，东西、南北跨度大，而主要城市人口密度大，轨道交通的发展主要针对两种出行人群的需求，即中长距离的较大跨度出行需求和短距离的城市内部出行需求。而我国人口的频繁流动尤其是节假日人口的大规模迁移，也带来客流的巨大反差。

当前的铁路列车具有仅适用单线模式、运量大、密度较小等特点，面临上述问题，无法给出合适的解决方法。如何实现电气化与非电气化铁路之间跨线运行，解决中短跨度间的城镇化市域小运量运输和客流反差问题，仍是一个亟待解决的问题。

混合动力动车组可以实现跨线运行，运量较小，但可根据客流变化需求进行灵活编组，提高运输效率，缩短旅行时间，对于弥补当前铁路运输的不足，充分发挥铁路运输节能、环保、高效等特点具有非常重要的意义，具有广阔的市场前景。

2.2 混合动力动车组技术完全自主创新，对打破国外相关核心技术垄断，开拓新技术领域具有重要意义

近年来，我国的轨道交通取得了令人瞩目的成绩。通过不断的引进、消化、吸收，我国已经具备了生产和制造多种动车组的能力，诸多重要部件也逐渐实现了国产化。然而，对于动车组中最关键的牵引系统、网络系统、制动系统尚未完全掌握核心技术；在轨道交通大发展的需求下，通过企业、高校、研究院所的科研攻关，我国在轨道交通核心技术上已经取得突破，积累了非常宝贵的技术经验，为独立开展混合动力动车组研制奠定了坚实基础。

混合动力动车组采用多种动力模式，其关键核心技术与其他轨道交通模式具有共性和特殊性，研制具有完全自主知识产权的混合动力动车组，重点攻克牵引、动力电池组、网络、制动系统等关键核心技术，既开拓了一个全新的前沿技术领域，创造了动车组新的技术体系，又对原有动车组技术体系提供支撑，打破了国外对相关核心技术垄断。

2.3 混合动力动车组具有节能、应急救援等优点，为绿色、经济出行提供了一种全新的运输模式

随着国家大力倡导节能降耗理念，绿色、节能、环保的轨道客车将拥有广阔的市场。无接触网时可通过动力电池组吸收利用制动能量，实现节能、环保，与《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中“高速轨道交通系统、低能耗与新能源汽车”优先主题的规划相吻合。还可实现在电气化线路故障时自救和救援其它动车组，也可以作为移动电源进行供电。

3 混合动力动车组关键技术研究

3.1 混合动力动车组系统集成技术研究

混合动力动车组系统集成技术是确保整车性能的重要因素，主要技术难点是系统集成和系统匹配，包括电力供电与蓄电池供电的牵引系统集成、电力供电和油电混合动力的牵引系统集成、动车组的能量管理、动力包和蓄电池混合动力的系统集成、列车牵引系统与制动系统的集成、实现列车功能的网络系统与其它各子系统间的接口关系、控制逻辑的集成等。

3.2 混合动力动车组牵引系统技术研究

混合动力动车组包含2套相对独立又相互关联的动力系统，分别为EEMU和DDMU。

对于EEMU混合动力动车组动力系统，如图2所示，在无接触网条件下，牵引系统采用动力电池供电，此时牵引变流器停止工作，动力电池通过DC/DC控制器连接在牵引变流器的中间直流环节上，为动车组提供能量，通过牵引逆变器驱动牵引电机，动力电池组采用能量密度较高的磷酸铁锂电池。

对于DEMU混合动力动车组动力系统，如图3所示，在无接触网条件下，牵引系统采用内燃动力包和动力蓄电池混合供电方案，

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车顶高压系统及主变压器停止工作，牵引系统采用柴油机带动发电机（动力包）供电，整流到中间直流环节为牵引逆变器提供电源从而驱动牵引电机。DEMU同时配有动力蓄电池组，制动时能够吸收电制动能量，牵引时将吸收的电能释放出来，实现真正意义的能量回收再利用。

3.3 混合动力动车组动力电池组及充放电技术研究

动力电池的关键技术包括：电池建模及在线参数辨识技术、电池SOC估算方法的优化、电池SOH的评估体系、充放电功率预测与控制、电池的一致性评价体系及均衡策略、电池系统的多簇协调控制；电池系统的加热、保温和散热方法，电池模组和电池系统的结构设计方式，开发与之匹配的电池模组；电池本体、高压系统、控制系统、连接技术等方面的安全性分析和控制系统设计

3.4 混合动力动车组网络控制技术研究

网络控制系统关键技术包括：针对混合动力动车组技术特点的结构、硬件系统和软件系统设计。结构方面的网络负载率、带宽占用率及优化算法，硬件方面的元器件选型、布局，软件方面的整车控制逻辑与诊断等关键技术的仿真试验、功能验证、安全性评估和特定故障工况复现。

混合动力动车组网络控制、监测与诊断系统采用的TCN列车通信网络和WTB列车总线，构成列车级、MVB多功能總线构成车辆级和设备级三层结构。混合动力动车组采用3辆车固定编组，可采用相同的三列动车组联挂后进行重联运行，网络控制系统拓扑图见图4。

3.5 混合动力动车组制动系统技术研究

制动系统的关键技术包括：研究适用于混合动力动车组制动频繁、减速度大、负荷变化大等特点的大功率盘形制动技术、优化的制动控制技术、防滑控制技术、完善的故障诊断技术和安全保障技术，开发出满足上述要求的大功率盘形制动装置、制动控制装置、防滑控制装置和故障诊断系统。

混合动力动车组制动系统以既有产品技术平台为基础，采用电空直通制动系统，基于故障导向安全原则，采用模块化、简统化设计，制动控制系统图见图5。

4 小结

我国幅员辽阔，呈现不同地域、不同气候、不平衡经济等多种状况，随着我国经济的高速发展，国民素质和生活追求质量等提高，对高速动车组的个性化、多样化需求增大；混合动力动车组是适应我国铁路现状需求的新型产品，与国内现有动车组相比具有跨线运行的能力，混合动力动车组关键技术研究为研究成熟的动车组产品提供了技术保证；预计未来十年内将需要数百列的混合动力动车组，因此具有良好的推广应用价值和产业化前景。

作者简介：尹华 （1982—），男，内蒙古赤峰市，工程师。