混合动力技术在重型轨道车的研究与应用

贝红斌 中国铁路上海局集团有限公司上海工务大修段

1 概述

由于重型轨道车受柴油机装机功率不超过1 000 kW 限制，在长编组养路机械转场、铁路基地内长轨车调车作业时需要多辆重型轨道车或机车牵引。多辆重型轨道车编组作业，对人员配置要求高，且调车作业较为繁琐。长期租借机车作业，则成本太高，不具经济可行性。2018 年中国铁路上海局集团有限公司上海工务大修段与宝鸡中车时代工程机械有限公司合作开发长编组养路机械牵引轨道车，它采用“柴油发电机组+动力蓄电池组”为动力源的混合动力技术，其整车功率可达3 000 马力，属于国内重型轨道车领域的创新型、节能环保型产品。它可有效解决纯内燃重型轨道车造成的严重噪声污染、废气污染等环境问题，同时具有功率大，持续牵引力大、制动性能可靠、操纵轻便灵活、使用寿命长、运行稳定性等一系列优点。

2 设计思路

2.1 运用工况

新研发的重型轨道车将主要用来进行基地内调车作业和牵引长编组养路机械转场作业。它应满足这两种作业方式的极限工况下的牵引能力。这两种作业方式的极限工况对重型轨道车的牵引能力要求如下：

（1）调车作业

基地内牵引500 m长轨车（43辆车，约3 000 t），在平直道最大运行速度不超过40 km/h，且能在6‰坡道上以不低于5 km/h速度调车。

（2）转场作业

牵引20辆编组养路机械（约1 630 t），在平直道上最大运行速度不超过80 km/h，且能在15‰坡道起动。

2.2 技术路线

根据上述车辆运用工况对重型轨道车牵引能力的要求，进行牵引计算。计算结果表明：

① 单机牵引20辆编组养路机械（约1 630 t）进行转场作业，在平直道上以80 km/h 速度运行时，所需牵引功率最大。该工况下，重型轨道车的整车功率应至少为P=1467 kW；

② 单机牵引20辆编组养路机械（约16 30 t）进行转场作业，在15‰坡道上起步时，所需起动牵引力最大。该工况下，重型轨道车的起动牵引力F=358.41 kN。

根据牵引计算结果，重型轨道车最大极限工况下的牵引功率为P=1467 kW。然而，GB/T10082《重型轨道车技术条件》要求重型轨道车柴油机装机功率应不超过1 000 kW，所以不能采用传统的纯内燃动力驱动方式，必须采用混合动力驱动方式，即“柴油发电机组+动力蓄电池组”方式。

根据牵引计算结果，重型轨道车最大极限工况下的起动牵引力为F=358.41 kN，考虑黏着系数为0.33 及黏着牵引力应大于起动牵引力，故重型轨道车总重至少为G=358.41/0.33/9.8=110.8 t。

如果轨道车采用两个二轴转向架，则轴重为G轴重=27.7 t，将超出轴重不大于23 t 的要求。因此，轨道车必须采用两个三轴转向架。

考虑到该轨道车应能代替DF4B型内燃机车来进行基地内调车作业，因此，其整车功率应对标DF4B型内燃机车，可定位为3 000马力，即2 200 kW。

综上所述，该重型轨道车应为3 000 马力的油电混合动力六轴车。

3 总体方案

3.1 总体布置

混合动力轨道车主要由车体钢结构、转向架、制动系统、电传动系统、辅助电气设备、车钩及缓冲装置等组成。车内分成前司机室、休息室、大设备室、小设备室和后司机室，共五个区域。车内设有中间走廊贯通前、后端司机室。大设备室内的一侧从前到后依次为牵引通风机、制动柜、压缩机、风缸组成、干燥器、辅助逆变器、动力蓄电池组，另一侧从前到后依次为动力蓄电池组、高压电气柜、牵引逆变器、牵引通风机。

车下中间位置设有燃油箱，其两侧设有斜对称布置的两套柴油发电机组，包括主发电机、柴油发动机、进气系统、排气系统、散热系统等。两套柴油发电机组互为冗余设计，可保障任一机组故障时仍然可以行车至维修区域。车下走行部采用两台三轴转向架。

混合动力轨道车总体布置见图1。

图1 混合动力轨道车总体布置

3.2 主要技术参数

混合动力轨道车主要技术参数见表1。

表1 混合动力轨道车主要技术参数

4 关键技术研究

4.1 整车集成技术

混合动力轨道车整车集成采用机车设计理念和技术，整车布局采用斜对称布置，提升整车受力状态；车体采用整体承载结构，提升承载能力的同时又实现轻量化；采用油电混合动力和控制系统等先进成熟技术，减少燃料消耗，更加节能环保；采用三轴动力转向架，提供足够大的起动牵引力，提升爬坡牵引能力；采用电-空制动系统，满足长大坡道列车制动，减少冲击；车体纲结构和整车使用寿命可达30年。

混合动力轨道车在设计上从整车到重要零部件、电路布线、管路装配等全过程采用Creo软件参数化三维协同设计,实现了三维实体造型、装配模拟等，有效提高设计质量。同时应用ANSYS仿真分析软件进行结构的应力和变形仿真分析；并应用SIMPACK 进行整车动力学仿真分析，确保整车性能等。

4.2 混合动力配置

随着现代工业技术高速发展，能源和环境对人类生活和社会发展的影响越来越大，节能减排、低碳经济已经越来越受到各行业的重视。

蓄电池技术以及应用技术的进步，成本的不断降低，能量密度比、体积比、重量比的持续提升，使得动力电池在轨道交通机车车辆装车使用成为可能。动力电池在轨道交通机车上的装车，尤其是在内燃机车上的应用，具备明显优势，一方面可以补充内燃柴油发电机组动力的不足，大幅降低柴油机装车功率要求，牵引车设计可以选择小型柴油机，降低排放；另一方面，可以回收牵引电机制动反馈能量，更好地满足重型轨道车短周期作业要求，减少柴油机怠速等待时间，整车应用经济性得到增强。

（1）混合动力的匹配

①功率匹配原则

根据上述分析，为满足GB/T10082《重型轨道车技术条件》规定的柴油机装机功率不超过1 000 kW，又能够满足长编组养路机械牵引轨道车整车功率约2 200 kW 的要求，研究方案为：柴油机功率设定为允许的最大值1 000 kW，其余不足的功率将由牵引动力蓄电池组来补充。按照动力蓄电池组能以1 200 kW 功率持续放电1 小时来计算，动力蓄电池组的容量设定为1 200 kW·h ，从而使重型轨道车在以混合动力驱动的模式下，达到整机功率约2 200 kW。

②动力匹配原则

混合动力轨道车整机采用交流电传动方式，两台3 轴转向架共6 个驱动轴，分别由6 台牵引电机驱动，提供整机牵引力。因此，柴油机动力系统为柴油发电机组，以电能的形式提供驱动力。

根据作业工况不同，重型轨道车的驱动力分别来自柴油发电机组和牵引动力蓄电池组，共有3中不同的供电方式：

A、内燃-电传动方式，由柴油发电机组供电；

B、电力-电传动方式，由牵引动力蓄电池组供电；

C、油电混合-电传动方式，由柴油发电机组和牵引动力蓄电池组联合为供电。

混合动力系统采用主辅共中间直流环节的交流电传动方式，在作业时，根据负载和工况的不同具体牵引功率需求及最佳节油模式的控制，可自动或手动选择牵引动力蓄电池组单独驱动、柴油发电机组单独驱动或二者共同驱动。

（2）柴油机动力系统配置

根据《重型轨道车技术条件》（GB/T10082）规定，长编组养路机械牵引重型轨道车的柴油机动力系统的装机功率定义在重型轨道车范畴允许的最大功率，即1 000 kW 等级。因此，选用2 台互为冗余的500 kW 柴油机，总常用功率不超过1 000 kW。柴油动力系统主要由柴油发动机和交流发电机等组成。

柴油机的启停由司机指令控制；司机控制器的挡位信号转换为柴油机的转速信号，并输出电流信号用于柴油机调速。

（3）动力蓄电池系统配置①动力蓄电池组选型

动力蓄电池的选型至关重要。常用于作为车辆牵引动力的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池。目前在动力电池领域应用最广的是锂离子电池，其中铅酸电池和镍镉电池已经基本淘汰，镍氢电池仅有小范围应用。

常见锂离子电池有钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元（镍钴锰混合）锂电池、锰酸锂电池、磷酸锰铁锂电池、钛酸锂电池。考虑到电池使用过程中的安全性，应该选用磷酸铁锂电池或钛酸锂电池，但钛酸锂电池能量密度低、单体电压平台低、价格高，因此选择磷酸铁锂电池更为合适。

磷酸铁锂蓄电池能量密度高，放电特性硬，允许的充放电电流大，比较适合作为动力蓄电池，其在电动汽车领域应用也很广泛，通过对多种蓄电池的对比，混合动力轨道车采用大容量磷酸铁锂蓄电池。

磷酸铁锂电池充放电曲线见图2、图3、图4：

图2 不同倍率放电曲线

图3 不同倍率充电曲线

图4 不同温度放电曲线

②蓄电池管理系统

蓄电池管理系统主要包括1个主模块和多个子模块。子模块负责单体电池电压测量和电池工作环境温度测量，并适时与主模块之间通讯;主模块将子模块采集的数据传输给车辆微机，微机根据这些数据结合车辆的运用工况实现蓄电池的充放电控制、过充过放保护等功能。在使用充电机利用地面电源为蓄电池充电时，蓄电池管理系统亦提供数据采集及传输功能。

蓄电池管理系统功能：状态检测、上/下电逻辑、充电逻辑、加热策略、故障报警、互锁/保护。

4.3 混合动力控制技术

采用柴油发电机组和动力蓄电池联合为动力源，可根据牵引作业功率需求及最佳节油模式的控制要求，自动或手动选择柴油机单独提供动力、蓄电池单独提供动力，或者柴油机和蓄电池共同提供动力的混合动力供能模式。

混合动力控制是混合动力轨道车的关键技术之一，它依靠轨道车微机系统和蓄电池管理系统协同配合，灵活安全地控制蓄电池充电、放电和柴油机的发电特性，根据实际情况确定最佳的混合动力控制策略，节能减排。

混合动力轨道车根据实际工况制定最佳策略，以大幅减少柴油机惰转时间，让柴油机始终工作在最佳油耗点，提高能量转换效率；优先使用再生制动，动力蓄电池尽量吸收制动回馈能量，实现能量循环利用。

5 技术特点

针对转场作业及调车作业的主要工况，该车设计采取了以下措施：

（1）混合动力轨道车采用交直交电传动设计，轴控，单台逆变模块拖动单台牵引电机。更好的粘着控制和动力性能。混合动力由牵引变流器的逆变器逆变成频率及电压可变的3相交流电，给2个转向架上6台异步牵引电机供电。

（2）混合动力轨道车采用柴油发电机组和动力蓄电池，联合为混合动力轨道车提供动力源，具备纯柴油机作业、纯动力电池作业、混合作业3种应用作业工况。

（3）牵引传动、辅助传动采用一体化供电电路设计，辅助系统从中间直流环节取电，通过逆变器逆变、变压器隔离、滤波后提供辅助系统 480 V/87.4 Hz 集中供电电源，系统取消了辅助发电机及辅助发电机控制单元，轨道车电路设备得到简化。

（4）混合动力轨道车采用单整流设计，将柴油发电机组输出的三相交流电源整流为中间直流。

（5）混合动力轨道车具备电阻制动工况牵引电机反馈能量存储和再利用功能，牵引电机反馈能量除小部分给辅助系统供电外，大部分由动力电池充电存储，主发电机设计为不发电状态。

（6）动力电池分4 路接入中间直流环节，通过4 个滤波电感器、4 个逆变模块IGBT 斩波元件与中间直流环节耦合，具备大电流充电和放电能力，能瞬间回收混合动力轨道车全部2 400 kW牵引电机制动反馈能量。

（7）混合动力轨道车设置外接充电电路，通过整流器整流为中间直流，通过逆变模块IGBT 斩波元件控制动力电池充电电流。

（8）混合动力轨道车具备2路制动斩波、轨道车快速放电以及中间过电压抑制等功能。

6 技术优势

6.1 提升施工效率

根据《铁路技术管理规程》第382 条规定，向同一封锁区间开行路用列车，原则上每端只准进入一列。而采用新型混合动力轨道车可以减少编组数量及作业人员安排，将多个编组整合为1个编组。

该车在满足牵引要求的前提下,具有工频发电功能和配套的供电系统, 能为施工现场和连挂车辆提供至少400 kVA三相交流电源。

6.2 提升经济性

采用混合动力源, 低油耗 、低排放、可靠性高、经济性好,相当于把混合动力内燃机车的成熟、先进、可靠、适用的技术应用到重型轨道车上。该车既可用于小运转作业工况，也可用于各铁路基地大吨位车辆日常调车作业，有代替租用DF4内燃机车在基地调车趋势，节省租借DF4机车运用成本。以租用机车租用费9 000 元/天计算，全年租用费328.5 万，经初步测算全年至少可节约费用约164 万（按租用机车费用50%计）。

6.3 提升环保性

采用混合动力源，根据作业工况，在作业时，根据具体牵引功率需求及最佳节油模式的控制，自动或手动选择柴油机单独提供动力、蓄电池单独提供动力或柴油机及蓄电池共同提供动力的混合动力供应模式。基地调车时，都可把柴油机单独提供动力作为备选，环保性大大加强。

从设计理论分析，该重型轨道车具备蓄电池供电模式且制动工况下可进行能量回收，可比DF4C型节约燃油40%～45%。如果长期运用，司乘人员将能够充分利用轨道车制动性能优势，进一步提高节约燃油比率。

为加强重型轨道车“减排”，车辆设有地面电源充电接口。轨道车牵引能量由高效清洁的地面电源提供，可以实现零排放。

6.4 节能

混合动力轨道车具备电制动工况牵引电机反馈能量存储和再利用功能，牵引电机反馈能量除小部分给辅助系统供电外，大部分由动力电池充电存储。

7 结束语

把混合动力内燃机车的技术应用到重型轨道车上,为铁路施工和养路机械牵引提供了一种大功率混合动力轨道车。其研制符合国家节能减排政策，顺应“绿色环保”的历史潮流，也是国际一流轨道交通供应商竞相研究和发展的前沿技术。随着混合动力轨道车技术的完善和发展，混合动力轨道车一定会走向市场，为节能减排和现代养路机械一体化施工作出极大贡献，创出极大经济效益。