混合动力调车机车的技术和运用

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混合动力调车机车的技术和运用

荷 J.O ostra

摘要:列车的调车作业通常由内燃机车来完成。在调车作业间歇期间,内燃机车柴油机不能停机。目前,阿尔斯通公司推出了一种环境友好的新技术措施:采用电气混合动力系统来替代传统的内燃机车动力驱动。电气混合动力系统的组成包括蓄电池、柴油发电机组、功率电子装置、电动机和机械传动装置。这些装置安装在现有内燃机车上。柴油发电机组给蓄电池充电,并在机车需要高功率时提供附加的能量。运用试验表明,该机车可以大量节省燃料:货运调车作业节油35%,客运调车作业省油达60%。文中介绍了!混合动力?的定义,混合动力装置控制系统的原理和结构以及主要部件的技术规范,调车机车作业的内容和特点;比较了传统动力装置与混合动力装置的差异。

关键词:混合动力 调车机车 设计 结构 节油 排放 性能 试验

1 引 言

几年来,在阿尔斯通公司运输部所在地###施滕达尔修复了一台202型内燃机车,并对其进行了内容丰富的现代化改造。其结果是,采用现代化技术开发出一台新的203型液力传动内燃机车。该机车可用于干线牵引作业和调车作业。现在,除这种!完全现代化?的机车外,阿尔斯通公司还开发出了一种混合动力机车。自2008年夏季开始,该混合动力机车为不同的用户进行了试验运行(图1)。本文将介绍混合动力机车的工作过程及该机

车的主要结构。

图1 以202型内燃机车为基础的混合动力机车

2 !混合动力?的定义

通常,在技术上对混合动力的概念理解为一个系统。这个系统是由两种技术互相组合而成的。设计成混合动力系统,对其功能而言,至少要包含一种辅助措施。特别是对于动力驱动系统,例如要有一台柴油机和一台电机共同工作。对于混合动力装置,也意味着有一种功能上的冗余,既可以应用A 能源,也可以应用B 能源。混合动力除了其功能作用外,动力装置部件的效率也有重大作用。

阿尔斯通公司的混合动力机车包含:

?一套柴油发电机组,发出所需的电能。

?蓄电池组作为能量储存

器(蓄能器),与柴油发电机组并联控制。这套装置既可为驱动装置提供能量,又用来驱动辅助传动装置,也可用来对蓄电池充电。在这两种情况下,该动力装置相当于两台电动机(由于紧凑的安装空间)驱动一台机械圆柱齿轮传动装置。

混合动力装置的目的是:与传统的液力传动内燃机车和电传

动内燃机车相比,在相应的负荷下节省能量,并降低排放。它是这样达到目的的:柴油发电机组的柴油机的驱动时间应根据需要尽可能短,并在其运转的功率范围内具有最高的效能,从而具有尽可能高的效率。若混合动力装置用于驱动长时间高速运行的干线机车,则达不到上述目的,因为柴油机要在持续工况下运行。所以采用混合动力装置的机车注定只适用于调车作业。

图2 混合动力机车的控制系统

3 调车作业

调车作业的内容有下列各项:?客运列车和货运列车编组;?牵引列车通过洗车设备;?在机务段内对机车车辆进行调度;

?从车站将车组运送到用户;

?运送轨道维修作业用的小列车单元(筑路机械)。

调车机车具有特殊的作业循环特点:

?具有宽的负荷范围:牵引重量从1台机车到30台机车;

?运送距离短:从几百米到几公里;

?柴油机空转时间长:占每台机车运用时间的85%;

?运行速度受限制,特别是在无线遥控工况

下,最高速度仅为25k m /h 。

调车机车的用户及运用现场希望机车具有灵活的可使用性,适应全部调车任务;在低或很低的速度下有高的牵引力;另外,特别重要的是要有低燃油消耗、低噪声及尽可能低的废气排放。

4 传统动力和混合动力的比较

通常,液力传动和电传动调车内燃机车具有良好的灵活性,但是也有一些缺点。例如,在柴油机空转期间不能有效利用燃料;或者在低负荷区效率较低;存在废气排放和噪声;此外,还浪费柴油机潜在的寿命期。

与传统动力相比,混合动力技术是一套复合的能量供应装置。每套混合动力装置具有一套柴油机电子装置、一套蓄能器、蓄电池;更重要的是还有一套能量管理系统,以优化能量的产生和储存,并能以较低的成本供应给动力装置和辅助驱动部件。

混合动力装置的关键原理说明如下:

?精确地产生用于牵引所需的能量,并储存剩余的能量;

?设想以能量(k W h 或kJ)代替功率(k W )。

5 混合动力机车的控制系统

混合动力机车控制系统图(图2)表明,除柴油

发电机组和蓄电池外,还包括直流汇流排和驱动逆变器及辅助机组的供电电源装置。

今天的工艺技术载体是以202型内燃机车为基础的。与203型机车一样,对该机车进行了全面的现代化。新的动力驱动装置和能量产生的设计,利用具有2台法兰联接的电动机、1台牵引逆变器和1台辅助驱动逆变器的中央驱动装置,替代了大功率柴油机,包括冷却装置和液力传动装置。

6 主要部件的技术规范

6.1 柴油发电机组/驱动装置

柴油发电机组是由K irsch 公司提供的。采用Deutz 公司的TCD 2013L64V 型柴油机和永磁(P M E)同步发电机。柴油机为标准的四冲程柴油机,符合E U 2004/26?A 级废气排放标准。发电机采用永磁励磁机,由K irsch 公司提供(图3)

。

图3 装车前的柴油发电机组

柴油机参数: 型号TCD 2013L64V

功率(k W )238

转速(r /m in)1100~2200

发电机参数:

最大功率(k W )200

带冷却器功率(k W )190 电压范围(V DC )

440~940

发电机的输出电压与其转速有关,可以利用柴油机的转速控制(通过与温度的关系)与蓄电池的电压范围相匹配。因此,无需直流/直流变换器。

柴油机和发电机采用水冷方式。6.2 蓄电池组

该蓄电池组是由500个FNC A 170XR 型电池

组成的系统。该系统是B rironr H oppecke 蓄电池系统公司的产品。蓄电池组分布在8个串联的蓄电池组槽中。每个蓄电池组槽具有自己的蓄电池控制和监测系统(BC MU )。其采集的主要参数是充电状态和电池温度。其额定电压为600V,能容为102k W h 。

对蓄电池冷却装置的开发给予了极大的重视。蓄电池太大的温度梯度会使所期望的使用寿命大大缩短。其通风系统是蓄电池槽的组成部件。该蓄电池槽由电阻材料制成。在蓄电池不密封的情况下收集落向机车车体地板的电解液,防止蓄电池电解液对铁路路基的环境污染。蓄电池组系统的总重量为5200kg ,这在运用工况下是不成问题的,因为其重量的增加可用减少压铁来补偿(图4)。

图4 在机车车架上安装好的4个蓄电池组槽

针对混合动力装置的工作循环,对蓄电池的额定容量(Ah)、蓄电池的能容(k W h)以及蓄电池的重量进行了优化匹配,所以能满足调车作业所需的功率和能量。蓄电池的大小和发电机的功率,可适应用户的运用条件。从而混合动力机车显示出了更明显的优点。所期望的蓄电池使用寿命至少可以达到5年。

6.3 牵引电动机和轮对驱动装置

2台标准的三相交流牵引电动机每台额定功率为213k W 。该型电动机已运用于多种客运机车和动车。2台牵引电动机安装在司机室地板下方的前部和后部,并用法兰与圆柱齿轮的驱动装置相

联。

图5 一台混合动力机车作业循环示例

(机车+600t 列车:一个循环及蓄电池组充电状态,蓄电池组的功率和总功率)

P #功率;t #时间;Pn eed #需要的功率;Pbat w erk #蓄电池功率;speed v #机车运行速度;SOC #蓄电池充电状态。

圆柱齿轮驱动装置型号为B NBSZ 080,由德国波鸿市(Bochum )的E ickhoff 公司生产,用之使牵引电动机的转速与转向架相匹配。在机械方面,圆柱齿轮传动箱利用承重架,用弹性悬挂点的方式置入原机车的主车架中。6.4 牵引逆变器和辅助逆变器

用于牵引和辅助机组的逆变器由基地在荷兰R i d der ker k 市的阿尔斯通公司运输部生产。两种逆变器都采用空气冷却,并装用现有的功率模块和控制模块。6.5 制动系统

制动系统基本上是与经批准的203型液力传动内燃机车的系统相同。对于这种工艺技术的载体,意味着不能反馈制动能量(能量反馈的优点在这种情况下受到限制,因为每辆货车都使用本身的压缩空气制动装置)。6.6 蓄电池和能量管理系统

能量管理系统包括两个方面:

第一方面,在运行工况,蓄电池组处于充电状态,需要监控其温度。这个参数通过BC MU (蓄电池组控制和监测单元)进行采集和处理。该单元集装在蓄电池系统的每个蓄电池组槽中。

第二方面,对于动力驱动系统和辅助机组逆变器,要有瞬间分配可使用能量的功能。因此,随着工况条件的不同,需要对蓄电池、柴油发电机组和用电器之间的能量多少及能量流向施加积极的影

响。

在机车最佳的功能下,这种调节使得最低燃油消耗率和蓄电池最大使用寿命之间的关系得到优化。

从硬件方面讲,该能量管理系统可在蓄能器编程控制装置(SPS)中进行自动编程。

7 混合动力机车调车作业循环实例

在日常调车作业时,蓄电池充电状态(SOC )在65%~80%之间。调车作业一般有下列5种工况:

(1)在高负荷及持续负荷工况,蓄电池充电状态在65%以下。这个工况如图5所示实例。

(2)在负荷下起动工况,所需要的能量由蓄电池和发电机组供应。

(3)在机车恒速工况,所需要的能量等于所产生的能量。

(4)在机车停车状态,蓄电池处于重新充电状态,充电状态达80%。此后,发电机组被切断。

(5)无负荷运行工况,发电机组不起动,因为充电状态保持65%以上。

图6分别示出了机车作业的5种循环工况。这里不考虑柴油发电机组起动和惰转工况。由图5可见,这两种工况的运行时间约占机车总运行时间的25%。实际上每小时惰转时间约为3m in 。该图还明确地表示出所导致的燃油的节省:

?在柴油机很短的空转时间(起动运转和惰

图6混合动力机车牵引600t列车:全部5种作业循环

P#功率;n m ax#柴油机最高转速(r/m i n);U gen m ax#发电机组最高电压(V);Pgen m ax#发电机组最大功率(k W);v#机车运行速度;SOC#蓄电池充电状态;n#柴油机转速。

转)内,具有相当低的燃油消耗率;

?因为只发出必需的能量,所以不会浪费能量;

?与液力传动内燃机车或电传动内燃机车相比,柴油机的运转小时数相当小,约为25%,所以大大降低了维修费用。

8试验结果

到目前,该混合动力机车在各种不同的条件下进行了许多次试验运行。例如,在莱根斯堡和纽伦堡进行了运行试验:牵引约1000t的列车,最大坡度为10(。在纽伦堡和鹿特丹的运行试验:牵引列车重量)600,t但具有很高的运输密度。

试验结果包括:

?莱根斯堡试验:十多天的调车作业,牵引较重的货运列车,每天工作8~10h,试验结果表明节约燃油达35%。

?纽伦堡试验:10天牵引客车的调车作业,试验表明节约燃油达60%以上。

?鹿特丹试验:与203型内燃机车进行燃油消耗的比较试验测量;同时还进行了废气测量。其测试结果将在不久后公布。

废气排放降低的原因当然主要是由于降低了燃油消耗。此外,柴油机主要工作在经济性良好的功率范围内,这也起了明显的作用。

9结语

该混合动力机车是具有竞争力的产品,其根据如下:

?对用户具有经济方面的优势(节约燃油)。

?具有环境保护方面的优势(低的废气排放,优于地方法规的规定)。

?对调车作业的灵活性和良好的反应能力。

因此,混合动力系统具有很宽广的运用领域:

?这种技术既适用于修理机车,也适用于新型调车机车。

?混合动力装置的结构设计与调车机车的尺寸和功率可实现优化匹配。

对潜在用户的运用方式、线路断面、驻地和环境条件以及运用目的等所有方面,从一开始就要进行分析。这种分析要做得精确、详细。这对于今后混合动力机车运用的经济效益具有决定性意义。

译自%ZE V ra il&2009,?9,365~369

译者韩才元校者柳欣生