柴电混合动力机车能量最优控制研究

郑 勇，赵旭峰，彭 赟

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

内燃机车是一种以柴油发电机组作为原动力的机车，其具有热效率高、机动性能强、结构紧凑、运行维护简单便捷、整备时间短及持续工作时间长等优点，目前被广泛应用于非电气化铁路干线及支线的客货运、正线救援、厂内调车、战略储备车、集成轨道检测、限界检测和弓网检测的工程车等领域。油耗高一直是内燃机车最大的问题，其直接影响了铁路运输的经济效益［1-2］。目前，降低内燃机车燃油消耗的方法包括电子控制燃油喷射、燃烧室直喷技术、废气涡轮增压及柴油机自动启停技术等［3-4］，这些节能技术的对象一般都是针对柴油发电机组供电侧，并不涉及牵引变流器及其控制的节能减耗。此外，内燃机车的柴油发电机组只能正转，不能反转，不像电力机车的四象限可控整流可以工作在反馈供电状态［5-6］。当机车处于电制动工况时，牵引电机产生的大量制动能量只能通过制动电阻器转换成热量耗散到空气中，造成了能量的极大浪费。

考虑到制造成本和安全性，目前牵引蓄电池组在机车上应用较多的类型为铅酸蓄电池和锂电池，但这两种电池的功率密度都不高。机车牵引功率一般在几百千瓦以上，受机车体积的限制，蓄电池组的牵引功率要低很多，且续航里程很短，因此蓄电池组一般需配合其他主电源使用［7-8］。

为实现能量的合理利用，本文提出一种柴电混合动力机车能量最优控制方案，其采用柴油机和牵引蓄电池双电源供电，很好地互补了彼此的短板；通过把牵引蓄电池的双向DC/DC回路集成在牵引变流器主电路中，实现了各运行模式下的能量最优控制，并且在牵引、制动工况下均能实现柴油机高效节能、制动能量有效回收、蓄电池行车充电，从负载侧提升了混合动力机车的燃油经济性［9-13］。

1 柴电混合动力机车的主电路

图1为柴电混合动力机车的主电路图。柴油发电机组输出的感应电动势经三相不可控整流模块CON整流后，向牵引变流器中间回路输出直流电压，通过控制发电机的励磁电流，可实现中间直流电压闭环控制；主逆变模块INV通过三相逆变实现牵引电机的控制；辅助逆变器SIV采用主辅一体化设计，被集成在牵引变流器柜内，以恒频恒压方式工作，为机车的辅助负载供电。T1和T2桥臂构成的双向DC/DC回路可以实现牵引蓄电池的充电和放电。当T1截止、T2工作时，双向DC/DC处于Boost状态，蓄电池经过电感器储能后向中间直流回路升压放电；当T2截止、T1工作时，双向DC/DC回路处于Buck状态，中间直流电压经过电感器滤波后对牵引蓄电池降压充电。此外，T3和T4桥臂构成斩波放电回路，可以实现停机后快速放电、柴油机自负荷、蓄电池定置放电试验的功能以及抑制制动能量过高所引起的中间电压过压。牵引变流器中还集成了接地检测电路，通过比较全电压和半电压的特征状态信息，能够实现主回路的接地判断。

图1 柴电混合动力机车的主电路Fig.1 Main circuit diagram of diesel electric hybrid locomotive

2 柴电混合模式下牵引能量最优供给

在柴油机和牵引蓄电池混合供电牵引工况下，柴油发电机组和牵引蓄电池同时向牵引电机和辅助负载提供能量。牵引手柄所处级位不同，发动机的转速亦不同；手柄级位越高，发电机输出的功率越大，牵引电机输出的功率也就越大，各种级位下额定功率如表1所示。

表1 柴电混合模式下各手柄级位对应的额定输出功率Tab.1 Rated output power at all handle grades in diesel electric hybrid mode

柴电混合模式下，从输入侧来说，机车牵引工况表现为柴油机和蓄电池提供能量输入。当柴油发电机组和牵引蓄电池同时向中间直流回路供给能量时，为了避免励磁控制器和双向DC/DC回路同时进行中间电压闭环控制时出现电压振荡和环流现象，一般由励磁控制器来控制中间电压稳定，双向DC/DC回路控制输出功率。牵引蓄电池在不同的荷电状态（state of charge，SOC）下允许控制输出的功率是不同的：SOC越高，允许输出的功率越大；SOC越低，允许输出的功率越小。为了保护牵引蓄电池，当SOC小于一定容量时，禁止能量输出。牵引蓄电池允许输出功率系数与SOC关系曲线如图2所示。

当机车处于静止或者惰行工况时，只有辅助负载消耗能量；或者当牵引电机需要输出的功率比较低，牵引电机和辅助负载两者需求的功率不超过牵引蓄电池当前SOC允许输出的功率时，为了节约燃料，优先使用牵引蓄电池给负载提供能量；当手柄级位增加，牵引电机需要输出的功率比较大，牵引电机和辅助负载两者消耗的功率超过牵引蓄电池的最大功率时，超出部分的能量由柴油发电机提供，此时蓄电池和柴油机共同向负载提供能量。图3为实现柴电混合模式牵引能量最优供给的控制图。

图3 柴电混合模式牵引能量最优供给控制图Fig.3 Traction energy optimal supply control diagram in diesel electric hybrid mode

3 柴电混合模式下的电制动能量回收

在柴电混合模式下，机车进入电制动工况时，牵引电机将由电动机状态转换为发电机状态，牵引逆变模块将机车的动能转化为电能回馈至牵引变流器的中间直流环节。在不同手柄级位下，牵引电机输出不同电制动力，手柄级位越高，电制动力越大，向中间直流回路反馈电制动功率就越大，进而使得中间电压高于额定中间电压。由于三相不可控整流模块CON中二极管的单向箝位作用，牵引电机产生的电制动能量不能反向流向柴油发电机，且在一般情况下柴油发电机基本不会向变流器中间回路输出能量。此时双向DC/DC回路处于Buck状态，中间直流电压经过电感器滤波后向牵引蓄电池充电，蓄电池吸收电制动能量。在柴电混合模式下，机车电制动工况时，一般表现为牵引电机提供能量输入，其能量流向如图4所示。根据机车不同的运行情况，有以下几种电制动能量回收方式：

图4 柴电混合模式下电制动工况能量流向图Fig.4 Electric braking energy flow diagram in diesel electric hybrid mode

（1）当机车电制动功率比较低，只能满足辅助负载消耗时，牵引电机发出的电制动功率PINV通过辅助负载功率PSIV消耗掉，完全避免了电制动能量的浪费，其能量平衡式为PINV=PSIV。

（2）当机车电制动功率较大时，蓄电池进入降压斩波充电状态，能够实现蓄电池回收电制动能量的功能。此时牵引电机发出的电制动功率通过辅助负载功率和蓄电池充电功率PBAT消耗掉，其能量平衡式为PINV=PSIV+PBAT。

牵引蓄电池回收电制动能量的过程实际上是反向降压斩波充电过程，其充电电流的大小受BMS允许充电电流和电制动剩余能量得到的期望回馈充电电流两方面的约束：

（1）蓄电池管理系统（battery management system，BMS）实时综合蓄电池组当前的SOC、温度等相关状态给出的允许充电电流值IBMS。在常温情况下，BMS一般根据蓄电池组的SOC分阶段进行恒流充电，最大充电电流控制在1C（即300 A）内，并且严格控制单体电压不过压。图5为蓄电池组最大允许充电电流与SOC的关系曲线图。此外，蓄电池组温度不高于50℃时，蓄电池允许充电电流的上限为1C；超过50℃后，温度每上升1℃，充电电流上限值下降10%，温度上升n度（n=蓄电池实际温度-50），充电电流上限为1C×（1-0.1×n），蓄电池最高温度达到60℃时，充电电流上限变为0 A。图6示出蓄电池组最大允许充电电流与温度的关系曲线。

图5 蓄电池组最大允许充电电流与SOC的关系Fig.5 Relationship between maximum allowable charging current of battery pack and SOC

图6 蓄电池组最大允许充电电流与温度的关系Fig.6 Relationship between maximum allowable charging current of battery pack and temperature

（2）牵引电机产生的电制动能量除去被辅助负载消耗的能量外，其余能量如全部被蓄电池所吸收，即可通过这些剩余能量及蓄电池电压UBAT，得到所期望的回馈充电电流(PINV-PSIV)/UBAT。如果IBMS≥(PINVPSIV)/UBAT，则双向DC/DC回路可以按照所期望的回馈充电电流向蓄电池组充电，牵引电机产生的电制动能量能够被完全回收利用。如果IBMS＜(PINVPSIV)/UBAT，则双向DC/DC回路只能按照BMS给出的允许充电电流值IBMS向蓄电池组充电，牵引电机产生的电制动能量只能被蓄电池组回收一部分。此时，辅助负载和蓄电池组不能完全消耗牵引电机所产生的电制动能量，剩余的电制动能量会引起中间直流电压进一步抬升；当中间电压达到斩波门槛时，斩波管T3自动开通，通过制动电阻器消耗所剩余的电制动能量，这种情况下电制动能量只能被部分回收利用。

此外，当机车电制动功率很大，如果制动电阻器功率比较小，且蓄电池组的SOC接近100%时，制动电阻器不能完全消耗掉剩余的电制动能量，进而会引起中间直流电压继续抬升。当中间电压达到过压保护门槛值时，牵引封锁保护功能被触发，影响机车的可用性。为避免这种情况的发生，控制系统只能综合当前牵引电机产生的电制动功率、辅助负载消耗功率、BMS给出的允许充电电流值及制动电阻器额定功率等因素，限制牵引电机电制动力的输出，使整个机车电气系统的能量转换在安全可控的范围内运行。此外，由于牵引电机电制动力的减小，整车的制动力也随之减小，一旦不能满足当前手柄级位下总制动力的要求，空气制动控制系统（BCU）就会自动介入，和传动控制单元（DCU）一起配合进行空电联合制动，从而避免机车制动衰减或者失效。电制动限制情况下各部件功能关系如图7所示。

图7 电制动限制情况下各部件功能关系Fig.7 Functional relationship of each components in electric braking restriction

4 双向DC/DC自适应柔性充放电控制

在蓄电池模式或者柴电混合模式下，如果电制动功率极低而不能满足辅助负载消耗时，中间电压会自动跌落到额定电压以下。此时，为了节能，双向DC/DC回路从Buck降压斩波充电转为Boost升压斩波放电，功率不足部分，仅由蓄电池输出提供，保证辅助系统能正常运行，避免中间电压跌落到保护门槛并触发保护停机。

如上所述，由T1和T2桥臂构成的双向DC/DC回路，能够实现蓄电池的充电和放电。在牵引工况时，双向DC/DC回路一直处于Boost升压放电状态；在电制动工况时，如果中间直流电压低于额定电压，则双向DC/DC回路处于Boost状态，如果中间直流电压高于额定电压，则双向DC/DC回路处于Buck状态。实质上中间直流电压的变化体现的是能量流动，双向DC/DC回路通过对中间直流电压的闭环控制，无论是牵引还是制动工况，只要是中间电压低于额定值，则T1截止、T2导通工作，双向DC/DC回路转为Boost状态；只要是中间电压高于额定值，则T2截止、T1导通工作，双向DC/DC回路转为Buck状态。双向DC/DC回路通过这种自适应双向DC/DC变换，既能控制中间电压稳定，也能保证及时响应能量流动变化；同时，为了确保双向DC/DC回路在Boost和Buck之间相互柔性切换，将PI调节器的控制量f作为一个切换条件，能够有效避免切换过程发生过压过流故障。如果控制量f小于0，说明PI控制器累积控制作用已经从中间电压目标值U*d大于中间电压实际值Ud的正向作用转移到U*d小于Ud的负向作用，此时双向DC/DC回路可以柔性地进入Buck降压充电模式；如果控制量f大于0，说明PI控制器累积控制作用已经从U*d小于Ud的负向作用转移到大于Ud的正向作用，此时双向DC/DC回路可以柔性地进入Boost升压放电模式。此外，为避免在中间额定电压附近频繁进行模式切换，可加入一个滞环控制器，并设置一定的电压范围ε。图8为Buck-Boost转换滞环控制器原理图。这样，通过以中间直流电压为直接控制目标，对中间直流电压进行PI闭环控制以及滞环控制，使双向DC/DC回路自适应地选择工作在Boost或Buck模式。该判断方法更加简单、准确，并且能够安全柔性地进行Boost和Buck模式相互切换，更好地实现快速响应机车复杂能量最优变换。双向DC/DC回路自适应柔性充放电控制原理如图9所示。

图8 Buck-Boost转换滞环控制器Fig.8 Buck-Boost switching hysteresis controller

图9 双向DC/DC回路自适应柔性充放电控制原理Fig.9 Block diagram of adaptive flexible charge and discharge control for bidirectional DC/DC circuit

式中：KP——PI调节器比例系数；KI——PI调节器积分系数。

5 试验结果与分析

以上述方案为原型的柴电混合动力机车目前已研发成功，并在厂内试运线进行了大量的试验，能够实现柴油机、蓄电池、柴电混合3种模式下各种工况的正常运行，图10～图12分别是试验过程中采集的典型波形。

图10 柴油机模式试验波形Fig.10 Test waveforms in diesel engine mode

图12 柴电混合动力模式试验波形Fig.12 Test waveforms in diesel electric hybrid mode

图10为柴电混合动力机车在柴油机模式下的试验波形。可以看出，第一次手柄置于牵引状态时，柴油机输出电流逐渐增大，蓄电池充放电电流为负，说明此时蓄电池也正投入充电，实现了行车充电功能。当手柄置于电制动状态时，牵引电机从电动机状态转为发电机状态，向中间直流回路回馈电制动能量，中间直流电压从额定值1 800 V瞬间抬升到1 900 V左右。当电制动回馈充电条件满足后，蓄电池进行Buck降压斩波充电，中间直流电压降到额定值1 800 V，说明电制动能量得到了有效回收，实现了柴油机模式下的电制动能量回馈充电功能。

图11为柴电混合动力机车在蓄电池模式下的试验波形。可以看出，手柄置于牵引状态时，蓄电池输出电流逐渐增大，且蓄电池充放电电流为正，柴油机输出电流一直为0，说明只有蓄电池向负载提供能量。当手柄置于电制动状态时，双向DC/DC回路逐渐从Boost模式切换到Buck模式反向给蓄电池充电，整个切换过程非常柔性、平稳。由于电制动能量很快被吸收，除了切换时刻中间直流电压稍有上升外，其基本稳定在1 800 V左右。随后又进行了几次牵引和制动工况切换，波形都基本一样，这充分说明了自适应充放电控制方法的有效性。

图11 蓄电池模式试验波形Fig.11 Test waveforms in battery mode

图12为柴电混合动力机车在混动模式下的试验波形。可以看出，当手柄置于牵引状态时，蓄电池放电电流逐渐增大。由于刚开始牵引功率比较小，柴油机输出电流为0，说明刚进入牵引工况时优先使用蓄电池向负载提供能量。随着牵引功率的逐渐增加，柴油机输出电流也逐渐增大，此时由柴油机和蓄电池共同向负载提供能量。当手柄置于电制动状态时，蓄电池从放电工况被平稳地切换到充电工况，此刻由于蓄电池的SOC电量较高，受BMS允许充电电流的限制，蓄电池充电电流比较小，多余的电制动能量被存储于中间支撑电容器中，使得中间直流电压稍高于额定电压，但未超过制动电阻过压斩波门槛1 950 V，最后中间直流电压在1 850 V左右达到动态平衡。

6 结语

本文分析了柴电混合动力机车柴油机模式、蓄电池模式和“柴油机+蓄电池”混合模式的运行情况，并针对柴电混合模式下的牵引能量最优供给和电制动能量回收过程进行了详细介绍。自适应柔性充放电控制作为一种新型的蓄电池双向DC/DC变流技术，能很好地实现柴电混合机车在各种复杂运行工况下的能量最优控制。在混合动力机车试验中，机车在柴油机、蓄电池及柴电混合3种模式下均能实现无故障高效率运行，有效克服了传统内燃机车存在的大量电制动能量被浪费、整车牵引功率受柴油机功率限制而难以大幅提升、蓄电池的功率等级低和续航里程短等问题。在长大坡道和重载运输环境下，采用该控制方案更能从负载侧显著提升柴电混合动力机车的燃油经济性，提高铁路运输的经济效益。

受“双碳”政策影响，未来节能环保要求将更加严苛。下一步将综合考虑柴油发电机组和牵引逆变器的节能方案，进一步增大柴电混合动力机车蓄电池的牵引功率和续航里程。