鄭 勇，趙旭峰，彭 赟

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

內(nèi)燃機(jī)車是一種以柴油發(fā)電機(jī)組作為原動(dòng)力的機(jī)車，其具有熱效率高、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行維護(hù)簡單便捷、整備時(shí)間短及持續(xù)工作時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于非電氣化鐵路干線及支線的客貨運(yùn)、正線救援、廠內(nèi)調(diào)車、戰(zhàn)略儲(chǔ)備車、集成軌道檢測、限界檢測和弓網(wǎng)檢測的工程車等領(lǐng)域。油耗高一直是內(nèi)燃機(jī)車最大的問題，其直接影響了鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益［1-2］。目前，降低內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗的方法包括電子控制燃油噴射、燃燒室直噴技術(shù)、廢氣渦輪增壓及柴油機(jī)自動(dòng)啟停技術(shù)等［3-4］，這些節(jié)能技術(shù)的對象一般都是針對柴油發(fā)電機(jī)組供電側(cè)，并不涉及牽引變流器及其控制的節(jié)能減耗。此外，內(nèi)燃機(jī)車的柴油發(fā)電機(jī)組只能正轉(zhuǎn)，不能反轉(zhuǎn)，不像電力機(jī)車的四象限可控整流可以工作在反饋供電狀態(tài)［5-6］。當(dāng)機(jī)車處于電制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)產(chǎn)生的大量制動(dòng)能量只能通過制動(dòng)電阻器轉(zhuǎn)換成熱量耗散到空氣中，造成了能量的極大浪費(fèi)。

考慮到制造成本和安全性，目前牽引蓄電池組在機(jī)車上應(yīng)用較多的類型為鉛酸蓄電池和鋰電池，但這兩種電池的功率密度都不高。機(jī)車牽引功率一般在幾百千瓦以上，受機(jī)車體積的限制，蓄電池組的牽引功率要低很多，且續(xù)航里程很短，因此蓄電池組一般需配合其他主電源使用［7-8］。

為實(shí)現(xiàn)能量的合理利用，本文提出一種柴電混合動(dòng)力機(jī)車能量最優(yōu)控制方案，其采用柴油機(jī)和牽引蓄電池雙電源供電，很好地互補(bǔ)了彼此的短板；通過把牽引蓄電池的雙向DC/DC回路集成在牽引變流器主電路中，實(shí)現(xiàn)了各運(yùn)行模式下的能量最優(yōu)控制，并且在牽引、制動(dòng)工況下均能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效節(jié)能、制動(dòng)能量有效回收、蓄電池行車充電，從負(fù)載側(cè)提升了混合動(dòng)力機(jī)車的燃油經(jīng)濟(jì)性［9-13］。

1 柴電混合動(dòng)力機(jī)車的主電路

圖1為柴電混合動(dòng)力機(jī)車的主電路圖。柴油發(fā)電機(jī)組輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢經(jīng)三相不可控整流模塊CON整流后，向牽引變流器中間回路輸出直流電壓，通過控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，可實(shí)現(xiàn)中間直流電壓閉環(huán)控制；主逆變模塊INV通過三相逆變實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)的控制；輔助逆變器SIV采用主輔一體化設(shè)計(jì)，被集成在牽引變流器柜內(nèi)，以恒頻恒壓方式工作，為機(jī)車的輔助負(fù)載供電。T1和T2橋臂構(gòu)成的雙向DC/DC回路可以實(shí)現(xiàn)牽引蓄電池的充電和放電。當(dāng)T1截止、T2工作時(shí)，雙向DC/DC處于Boost狀態(tài)，蓄電池經(jīng)過電感器儲(chǔ)能后向中間直流回路升壓放電；當(dāng)T2截止、T1工作時(shí)，雙向DC/DC回路處于Buck狀態(tài)，中間直流電壓經(jīng)過電感器濾波后對牽引蓄電池降壓充電。此外，T3和T4橋臂構(gòu)成斬波放電回路，可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)后快速放電、柴油機(jī)自負(fù)荷、蓄電池定置放電試驗(yàn)的功能以及抑制制動(dòng)能量過高所引起的中間電壓過壓。牽引變流器中還集成了接地檢測電路，通過比較全電壓和半電壓的特征狀態(tài)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)主回路的接地判斷。

圖1 柴電混合動(dòng)力機(jī)車的主電路Fig.1 Main circuit diagram of diesel electric hybrid locomotive

2 柴電混合模式下牽引能量最優(yōu)供給

在柴油機(jī)和牽引蓄電池混合供電牽引工況下，柴油發(fā)電機(jī)組和牽引蓄電池同時(shí)向牽引電機(jī)和輔助負(fù)載提供能量。牽引手柄所處級位不同，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速亦不同；手柄級位越高，發(fā)電機(jī)輸出的功率越大，牽引電機(jī)輸出的功率也就越大，各種級位下額定功率如表1所示。

表1 柴電混合模式下各手柄級位對應(yīng)的額定輸出功率Tab.1 Rated output power at all handle grades in diesel electric hybrid mode

柴電混合模式下，從輸入側(cè)來說，機(jī)車牽引工況表現(xiàn)為柴油機(jī)和蓄電池提供能量輸入。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組和牽引蓄電池同時(shí)向中間直流回路供給能量時(shí)，為了避免勵(lì)磁控制器和雙向DC/DC回路同時(shí)進(jìn)行中間電壓閉環(huán)控制時(shí)出現(xiàn)電壓振蕩和環(huán)流現(xiàn)象，一般由勵(lì)磁控制器來控制中間電壓穩(wěn)定，雙向DC/DC回路控制輸出功率。牽引蓄電池在不同的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）下允許控制輸出的功率是不同的：SOC越高，允許輸出的功率越大；SOC越低，允許輸出的功率越小。為了保護(hù)牽引蓄電池，當(dāng)SOC小于一定容量時(shí)，禁止能量輸出。牽引蓄電池允許輸出功率系數(shù)與SOC關(guān)系曲線如圖2所示。

當(dāng)機(jī)車處于靜止或者惰行工況時(shí)，只有輔助負(fù)載消耗能量；或者當(dāng)牽引電機(jī)需要輸出的功率比較低，牽引電機(jī)和輔助負(fù)載兩者需求的功率不超過牽引蓄電池當(dāng)前SOC允許輸出的功率時(shí)，為了節(jié)約燃料，優(yōu)先使用牽引蓄電池給負(fù)載提供能量；當(dāng)手柄級位增加，牽引電機(jī)需要輸出的功率比較大，牽引電機(jī)和輔助負(fù)載兩者消耗的功率超過牽引蓄電池的最大功率時(shí)，超出部分的能量由柴油發(fā)電機(jī)提供，此時(shí)蓄電池和柴油機(jī)共同向負(fù)載提供能量。圖3為實(shí)現(xiàn)柴電混合模式牽引能量最優(yōu)供給的控制圖。

圖3 柴電混合模式牽引能量最優(yōu)供給控制圖Fig.3 Traction energy optimal supply control diagram in diesel electric hybrid mode

3 柴電混合模式下的電制動(dòng)能量回收

在柴電混合模式下，機(jī)車進(jìn)入電制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)將由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，牽引逆變模塊將機(jī)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋至牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)。在不同手柄級位下，牽引電機(jī)輸出不同電制動(dòng)力，手柄級位越高，電制動(dòng)力越大，向中間直流回路反饋電制動(dòng)功率就越大，進(jìn)而使得中間電壓高于額定中間電壓。由于三相不可控整流模塊CON中二極管的單向箝位作用，牽引電機(jī)產(chǎn)生的電制動(dòng)能量不能反向流向柴油發(fā)電機(jī)，且在一般情況下柴油發(fā)電機(jī)基本不會(huì)向變流器中間回路輸出能量。此時(shí)雙向DC/DC回路處于Buck狀態(tài)，中間直流電壓經(jīng)過電感器濾波后向牽引蓄電池充電，蓄電池吸收電制動(dòng)能量。在柴電混合模式下，機(jī)車電制動(dòng)工況時(shí)，一般表現(xiàn)為牽引電機(jī)提供能量輸入，其能量流向如圖4所示。根據(jù)機(jī)車不同的運(yùn)行情況，有以下幾種電制動(dòng)能量回收方式：

圖4 柴電混合模式下電制動(dòng)工況能量流向圖Fig.4 Electric braking energy flow diagram in diesel electric hybrid mode

（1）當(dāng)機(jī)車電制動(dòng)功率比較低，只能滿足輔助負(fù)載消耗時(shí)，牽引電機(jī)發(fā)出的電制動(dòng)功率PINV通過輔助負(fù)載功率PSIV消耗掉，完全避免了電制動(dòng)能量的浪費(fèi)，其能量平衡式為PINV=PSIV。

（2）當(dāng)機(jī)車電制動(dòng)功率較大時(shí)，蓄電池進(jìn)入降壓斬波充電狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池回收電制動(dòng)能量的功能。此時(shí)牽引電機(jī)發(fā)出的電制動(dòng)功率通過輔助負(fù)載功率和蓄電池充電功率PBAT消耗掉，其能量平衡式為PINV=PSIV+PBAT。

牽引蓄電池回收電制動(dòng)能量的過程實(shí)際上是反向降壓斬波充電過程，其充電電流的大小受BMS允許充電電流和電制動(dòng)剩余能量得到的期望回饋充電電流兩方面的約束：

（1）蓄電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）實(shí)時(shí)綜合蓄電池組當(dāng)前的SOC、溫度等相關(guān)狀態(tài)給出的允許充電電流值IBMS。在常溫情況下，BMS一般根據(jù)蓄電池組的SOC分階段進(jìn)行恒流充電，最大充電電流控制在1C（即300 A）內(nèi)，并且嚴(yán)格控制單體電壓不過壓。圖5為蓄電池組最大允許充電電流與SOC的關(guān)系曲線圖。此外，蓄電池組溫度不高于50℃時(shí)，蓄電池允許充電電流的上限為1C；超過50℃后，溫度每上升1℃，充電電流上限值下降10%，溫度上升n度（n=蓄電池實(shí)際溫度-50），充電電流上限為1C×（1-0.1×n），蓄電池最高溫度達(dá)到60℃時(shí)，充電電流上限變?yōu)? A。圖6示出蓄電池組最大允許充電電流與溫度的關(guān)系曲線。

圖5 蓄電池組最大允許充電電流與SOC的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum allowable charging current of battery pack and SOC

圖6 蓄電池組最大允許充電電流與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum allowable charging current of battery pack and temperature

（2）牽引電機(jī)產(chǎn)生的電制動(dòng)能量除去被輔助負(fù)載消耗的能量外，其余能量如全部被蓄電池所吸收，即可通過這些剩余能量及蓄電池電壓UBAT，得到所期望的回饋充電電流(PINV-PSIV)/UBAT。如果IBMS≥(PINVPSIV)/UBAT，則雙向DC/DC回路可以按照所期望的回饋充電電流向蓄電池組充電，牽引電機(jī)產(chǎn)生的電制動(dòng)能量能夠被完全回收利用。如果IBMS＜(PINVPSIV)/UBAT，則雙向DC/DC回路只能按照BMS給出的允許充電電流值IBMS向蓄電池組充電，牽引電機(jī)產(chǎn)生的電制動(dòng)能量只能被蓄電池組回收一部分。此時(shí)，輔助負(fù)載和蓄電池組不能完全消耗牽引電機(jī)所產(chǎn)生的電制動(dòng)能量，剩余的電制動(dòng)能量會(huì)引起中間直流電壓進(jìn)一步抬升；當(dāng)中間電壓達(dá)到斬波門檻時(shí)，斬波管T3自動(dòng)開通，通過制動(dòng)電阻器消耗所剩余的電制動(dòng)能量，這種情況下電制動(dòng)能量只能被部分回收利用。

此外，當(dāng)機(jī)車電制動(dòng)功率很大，如果制動(dòng)電阻器功率比較小，且蓄電池組的SOC接近100%時(shí)，制動(dòng)電阻器不能完全消耗掉剩余的電制動(dòng)能量，進(jìn)而會(huì)引起中間直流電壓繼續(xù)抬升。當(dāng)中間電壓達(dá)到過壓保護(hù)門檻值時(shí)，牽引封鎖保護(hù)功能被觸發(fā)，影響機(jī)車的可用性。為避免這種情況的發(fā)生，控制系統(tǒng)只能綜合當(dāng)前牽引電機(jī)產(chǎn)生的電制動(dòng)功率、輔助負(fù)載消耗功率、BMS給出的允許充電電流值及制動(dòng)電阻器額定功率等因素，限制牽引電機(jī)電制動(dòng)力的輸出，使整個(gè)機(jī)車電氣系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換在安全可控的范圍內(nèi)運(yùn)行。此外，由于牽引電機(jī)電制動(dòng)力的減小，整車的制動(dòng)力也隨之減小，一旦不能滿足當(dāng)前手柄級位下總制動(dòng)力的要求，空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)（BCU）就會(huì)自動(dòng)介入，和傳動(dòng)控制單元（DCU）一起配合進(jìn)行空電聯(lián)合制動(dòng)，從而避免機(jī)車制動(dòng)衰減或者失效。電制動(dòng)限制情況下各部件功能關(guān)系如圖7所示。

圖7 電制動(dòng)限制情況下各部件功能關(guān)系Fig.7 Functional relationship of each components in electric braking restriction

4 雙向DC/DC自適應(yīng)柔性充放電控制

在蓄電池模式或者柴電混合模式下，如果電制動(dòng)功率極低而不能滿足輔助負(fù)載消耗時(shí)，中間電壓會(huì)自動(dòng)跌落到額定電壓以下。此時(shí)，為了節(jié)能，雙向DC/DC回路從Buck降壓斬波充電轉(zhuǎn)為Boost升壓斬波放電，功率不足部分，僅由蓄電池輸出提供，保證輔助系統(tǒng)能正常運(yùn)行，避免中間電壓跌落到保護(hù)門檻并觸發(fā)保護(hù)停機(jī)。

如上所述，由T1和T2橋臂構(gòu)成的雙向DC/DC回路，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池的充電和放電。在牽引工況時(shí)，雙向DC/DC回路一直處于Boost升壓放電狀態(tài)；在電制動(dòng)工況時(shí)，如果中間直流電壓低于額定電壓，則雙向DC/DC回路處于Boost狀態(tài)，如果中間直流電壓高于額定電壓，則雙向DC/DC回路處于Buck狀態(tài)。實(shí)質(zhì)上中間直流電壓的變化體現(xiàn)的是能量流動(dòng)，雙向DC/DC回路通過對中間直流電壓的閉環(huán)控制，無論是牽引還是制動(dòng)工況，只要是中間電壓低于額定值，則T1截止、T2導(dǎo)通工作，雙向DC/DC回路轉(zhuǎn)為Boost狀態(tài)；只要是中間電壓高于額定值，則T2截止、T1導(dǎo)通工作，雙向DC/DC回路轉(zhuǎn)為Buck狀態(tài)。雙向DC/DC回路通過這種自適應(yīng)雙向DC/DC變換，既能控制中間電壓穩(wěn)定，也能保證及時(shí)響應(yīng)能量流動(dòng)變化；同時(shí)，為了確保雙向DC/DC回路在Boost和Buck之間相互柔性切換，將PI調(diào)節(jié)器的控制量f作為一個(gè)切換條件，能夠有效避免切換過程發(fā)生過壓過流故障。如果控制量f小于0，說明PI控制器累積控制作用已經(jīng)從中間電壓目標(biāo)值U*d大于中間電壓實(shí)際值Ud的正向作用轉(zhuǎn)移到U*d小于Ud的負(fù)向作用，此時(shí)雙向DC/DC回路可以柔性地進(jìn)入Buck降壓充電模式；如果控制量f大于0，說明PI控制器累積控制作用已經(jīng)從U*d小于Ud的負(fù)向作用轉(zhuǎn)移到大于Ud的正向作用，此時(shí)雙向DC/DC回路可以柔性地進(jìn)入Boost升壓放電模式。此外，為避免在中間額定電壓附近頻繁進(jìn)行模式切換，可加入一個(gè)滯環(huán)控制器，并設(shè)置一定的電壓范圍ε。圖8為Buck-Boost轉(zhuǎn)換滯環(huán)控制器原理圖。這樣，通過以中間直流電壓為直接控制目標(biāo)，對中間直流電壓進(jìn)行PI閉環(huán)控制以及滯環(huán)控制，使雙向DC/DC回路自適應(yīng)地選擇工作在Boost或Buck模式。該判斷方法更加簡單、準(zhǔn)確，并且能夠安全柔性地進(jìn)行Boost和Buck模式相互切換，更好地實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)機(jī)車復(fù)雜能量最優(yōu)變換。雙向DC/DC回路自適應(yīng)柔性充放電控制原理如圖9所示。

圖8 Buck-Boost轉(zhuǎn)換滯環(huán)控制器Fig.8 Buck-Boost switching hysteresis controller

圖9 雙向DC/DC回路自適應(yīng)柔性充放電控制原理Fig.9 Block diagram of adaptive flexible charge and discharge control for bidirectional DC/DC circuit

式中：KP——PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；KI——PI調(diào)節(jié)器積分系數(shù)。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以上述方案為原型的柴電混合動(dòng)力機(jī)車目前已研發(fā)成功，并在廠內(nèi)試運(yùn)線進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)、蓄電池、柴電混合3種模式下各種工況的正常運(yùn)行，圖10～圖12分別是試驗(yàn)過程中采集的典型波形。

圖10 柴油機(jī)模式試驗(yàn)波形Fig.10 Test waveforms in diesel engine mode

圖12 柴電混合動(dòng)力模式試驗(yàn)波形Fig.12 Test waveforms in diesel electric hybrid mode

圖10為柴電混合動(dòng)力機(jī)車在柴油機(jī)模式下的試驗(yàn)波形?？梢钥闯?，第一次手柄置于牽引狀態(tài)時(shí)，柴油機(jī)輸出電流逐漸增大，蓄電池充放電電流為負(fù)，說明此時(shí)蓄電池也正投入充電，實(shí)現(xiàn)了行車充電功能。當(dāng)手柄置于電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，牽引電機(jī)從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，向中間直流回路回饋電制動(dòng)能量，中間直流電壓從額定值1 800 V瞬間抬升到1 900 V左右。當(dāng)電制動(dòng)回饋充電條件滿足后，蓄電池進(jìn)行Buck降壓斬波充電，中間直流電壓降到額定值1 800 V，說明電制動(dòng)能量得到了有效回收，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)模式下的電制動(dòng)能量回饋充電功能。

圖11為柴電混合動(dòng)力機(jī)車在蓄電池模式下的試驗(yàn)波形?？梢钥闯?，手柄置于牽引狀態(tài)時(shí)，蓄電池輸出電流逐漸增大，且蓄電池充放電電流為正，柴油機(jī)輸出電流一直為0，說明只有蓄電池向負(fù)載提供能量。當(dāng)手柄置于電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，雙向DC/DC回路逐漸從Boost模式切換到Buck模式反向給蓄電池充電，整個(gè)切換過程非常柔性、平穩(wěn)。由于電制動(dòng)能量很快被吸收，除了切換時(shí)刻中間直流電壓稍有上升外，其基本穩(wěn)定在1 800 V左右。隨后又進(jìn)行了幾次牽引和制動(dòng)工況切換，波形都基本一樣，這充分說明了自適應(yīng)充放電控制方法的有效性。

圖11 蓄電池模式試驗(yàn)波形Fig.11 Test waveforms in battery mode

圖12為柴電混合動(dòng)力機(jī)車在混動(dòng)模式下的試驗(yàn)波形。可以看出，當(dāng)手柄置于牽引狀態(tài)時(shí)，蓄電池放電電流逐漸增大。由于剛開始牽引功率比較小，柴油機(jī)輸出電流為0，說明剛進(jìn)入牽引工況時(shí)優(yōu)先使用蓄電池向負(fù)載提供能量。隨著牽引功率的逐漸增加，柴油機(jī)輸出電流也逐漸增大，此時(shí)由柴油機(jī)和蓄電池共同向負(fù)載提供能量。當(dāng)手柄置于電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，蓄電池從放電工況被平穩(wěn)地切換到充電工況，此刻由于蓄電池的SOC電量較高，受BMS允許充電電流的限制，蓄電池充電電流比較小，多余的電制動(dòng)能量被存儲(chǔ)于中間支撐電容器中，使得中間直流電壓稍高于額定電壓，但未超過制動(dòng)電阻過壓斬波門檻1 950 V，最后中間直流電壓在1 850 V左右達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

6 結(jié)語

本文分析了柴電混合動(dòng)力機(jī)車柴油機(jī)模式、蓄電池模式和“柴油機(jī)+蓄電池”混合模式的運(yùn)行情況，并針對柴電混合模式下的牽引能量最優(yōu)供給和電制動(dòng)能量回收過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。自適應(yīng)柔性充放電控制作為一種新型的蓄電池雙向DC/DC變流技術(shù)，能很好地實(shí)現(xiàn)柴電混合機(jī)車在各種復(fù)雜運(yùn)行工況下的能量最優(yōu)控制。在混合動(dòng)力機(jī)車試驗(yàn)中，機(jī)車在柴油機(jī)、蓄電池及柴電混合3種模式下均能實(shí)現(xiàn)無故障高效率運(yùn)行，有效克服了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車存在的大量電制動(dòng)能量被浪費(fèi)、整車牽引功率受柴油機(jī)功率限制而難以大幅提升、蓄電池的功率等級低和續(xù)航里程短等問題。在長大坡道和重載運(yùn)輸環(huán)境下，采用該控制方案更能從負(fù)載側(cè)顯著提升柴電混合動(dòng)力機(jī)車的燃油經(jīng)濟(jì)性，提高鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。

受“雙碳”政策影響，未來節(jié)能環(huán)保要求將更加嚴(yán)苛。下一步將綜合考慮柴油發(fā)電機(jī)組和牽引逆變器的節(jié)能方案，進(jìn)一步增大柴電混合動(dòng)力機(jī)車蓄電池的牽引功率和續(xù)航里程。