柴電混合動力機車能量最優控制研究

鄭 勇，趙旭峰，彭 赟

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

內燃機車是一種以柴油發電機組作為原動力的機車，其具有熱效率高、機動性能強、結構緊湊、運行維護簡單便捷、整備時間短及持續工作時間長等優點，目前被廣泛應用于非電氣化鐵路干線及支線的客貨運、正線救援、廠內調車、戰略儲備車、集成軌道檢測、限界檢測和弓網檢測的工程車等領域。油耗高一直是內燃機車最大的問題，其直接影響了鐵路運輸的經濟效益［1-2］。目前，降低內燃機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、廢氣渦輪增壓及柴油機自動啟停技術等［3-4］，這些節能技術的對象一般都是針對柴油發電機組供電側，并不涉及牽引變流器及其控制的節能減耗。此外，內燃機車的柴油發電機組只能正轉，不能反轉，不像電力機車的四象限可控整流可以工作在反饋供電狀態［5-6］。當機車處于電制動工況時，牽引電機產生的大量制動能量只能通過制動電阻器轉換成熱量耗散到空氣中，造成了能量的極大浪費。

考慮到制造成本和安全性，目前牽引蓄電池組在機車上應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。機車牽引功率一般在幾百千瓦以上，受機車體積的限制，蓄電池組的牽引功率要低很多，且續航里程很短，因此蓄電池組一般需配合其他主電源使用［7-8］。

為實現能量的合理利用，本文提出一種柴電混合動力機車能量最優控制方案，其采用柴油機和牽引蓄電池雙電源供電，很好地互補了彼此的短板；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，實現了各運行模式下的能量最優控制，并且在牽引、制動工況下均能實現柴油機高效節能、制動能量有效回收、蓄電池行車充電，從負載側提升了混合動力機車的燃油經濟性［9-13］。

1 柴電混合動力機車的主電路

圖1為柴電混合動力機車的主電路圖。柴油發電機組輸出的感應電動勢經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，通過控制發電機的勵磁電流，可實現中間直流電壓閉環控制；主逆變模塊INV通過三相逆變實現牽引電機的控制；輔助逆變器SIV采用主輔一體化設計，被集成在牽引變流器柜內，以恒頻恒壓方式工作，為機車的輔助負載供電。T1和T2橋臂構成的雙向DC/DC回路可以實現牽引蓄電池的充電和放電。當T1截止、T2工作時，雙向DC/DC處于Boost狀態，蓄電池經過電感器儲能后向中間直流回路升壓放電；當T2截止、T1工作時，雙向DC/DC回路處于Buck狀態，中間直流電壓經過電感器濾波后對牽引蓄電池降壓充電。此外，T3和T4橋臂構成斬波放電回路，可以實現停機后快速放電、柴油機自負荷、蓄電池定置放電試驗的功能以及抑制制動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信息，能夠實現主回路的接地判斷。

圖1 柴電混合動力機車的主電路Fig.1 Main circuit diagram of diesel electric hybrid locomotive

2 柴電混合模式下牽引能量最優供給

在柴油機和牽引蓄電池混合供電牽引工況下，柴油發電機組和牽引蓄電池同時向牽引電機和輔助負載提供能量。牽引手柄所處級位不同，發動機的轉速亦不同；手柄級位越高，發電機輸出的功率越大，牽引電機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，從輸入側來說，機車牽引工況表現為柴油機和蓄電池提供能量輸入。當柴油發電機組和牽引蓄電池同時向中間直流回路供給能量時，為了避免勵磁控制器和雙向DC/DC回路同時進行中間電壓閉環控制時出現電壓振蕩和環流現象，一般由勵磁控制器來控制中間電壓穩定，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（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。為了保護牽引蓄電池，當SOC小于一定容量時，禁止能量輸出。牽引蓄電池允許輸出功率系數與SOC關系曲線如圖2所示。

當機車處于靜止或者惰行工況時，只有輔助負載消耗能量；或者當牽引電機需要輸出的功率比較低，牽引電機和輔助負載兩者需求的功率不超過牽引蓄電池當前SOC允許輸出的功率時，為了節約燃料，優先使用牽引蓄電池給負載提供能量；當手柄級位增加，牽引電機需要輸出的功率比較大，牽引電機和輔助負載兩者消耗的功率超過牽引蓄電池的最大功率時，超出部分的能量由柴油發電機提供，此時蓄電池和柴油機共同向負載提供能量。圖3為實現柴電混合模式牽引能量最優供給的控制圖。

圖3 柴電混合模式牽引能量最優供給控制圖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能量回收

在柴電混合模式下，機車進入電制動工況時，牽引電機將由電動機狀態轉換為發電機狀態，牽引逆變模塊將機車的動能轉化為電能回饋至牽引變流器的中間直流環節。在不同手柄級位下，牽引電機輸出不同電制動力，手柄級位越高，電制動力越大，向中間直流回路反饋電制動功率就越大，進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，牽引電機產生的電制動能量不能反向流向柴油發電機，且在一般情況下柴油發電機基本不會向變流器中間回路輸出能量。此時雙向DC/DC回路處于Buck狀態，中間直流電壓經過電感器濾波后向牽引蓄電池充電，蓄電池吸收電制動能量。在柴電混合模式下，機車電制動工況時，一般表現為牽引電機提供能量輸入，其能量流向如圖4所示。根據機車不同的運行情況，有以下幾種電制動能量回收方式：

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

（1）當機車電制動功率比較低，只能滿足輔助負載消耗時，牽引電機發出的電制動功率PINV通過輔助負載功率PSIV消耗掉，完全避免了電制動能量的浪費，其能量平衡式為PINV=PSIV。

（2）當機車電制動功率較大時，蓄電池進入降壓斬波充電狀態，能夠實現蓄電池回收電制動能量的功能。此時牽引電機發出的電制動功率通過輔助負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能量的過程實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（battery management system，BMS）實時綜合蓄電池組當前的SOC、溫度等相關狀態給出的允許充電電流值IBMS。在常溫情況下，BMS一般根據蓄電池組的SOC分階段進行恒流充電，最大充電電流控制在1C（即300 A）內，并且嚴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的關系曲線圖。此外，蓄電池組溫度不高于50℃時，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=蓄電池實際溫度-50），充電電流上限為1C×（1-0.1×n），蓄電池最高溫度達到60℃時，充電電流上限變為0 A。圖6示出蓄電池組最大允許充電電流與溫度的關系曲線。

圖5 蓄電池組最大允許充電電流與SOC的關系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系Fig.6 Relationship between maximum allowable charging current of battery pack and temperature

（2）牽引電機產生的電制動能量除去被輔助負載消耗的能量外，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，牽引電機產生的電制動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，牽引電機產生的電制動能量只能被蓄電池組回收一部分。此時，輔助負載和蓄電池組不能完全消耗牽引電機所產生的電制動能量，剩余的電制動能量會引起中間直流電壓進一步抬升；當中間電壓達到斬波門檻時，斬波管T3自動開通，通過制動電阻器消耗所剩余的電制動能量，這種情況下電制動能量只能被部分回收利用。

此外，當機車電制動功率很大，如果制動電阻器功率比較小，且蓄電池組的SOC接近100%時，制動電阻器不能完全消耗掉剩余的電制動能量，進而會引起中間直流電壓繼續抬升。當中間電壓達到過壓保護門檻值時，牽引封鎖保護功能被觸發，影響機車的可用性。為避免這種情況的發生，控制系統只能綜合當前牽引電機產生的電制動功率、輔助負載消耗功率、BMS給出的允許充電電流值及制動電阻器額定功率等因素，限制牽引電機電制動力的輸出，使整個機車電氣系統的能量轉換在安全可控的范圍內運行。此外，由于牽引電機電制動力的減小，整車的制動力也隨之減小，一旦不能滿足當前手柄級位下總制動力的要求，空氣制動控制系統（BCU）就會自動介入，和傳動控制單元（DCU）一起配合進行空電聯合制動，從而避免機車制動衰減或者失效。電制動限制情況下各部件功能關系如圖7所示。

圖7 電制動限制情況下各部件功能關系Fig.7 Functional relationship of each components in electric braking restriction

4 雙向DC/DC自適應柔性充放電控制

在蓄電池模式或者柴電混合模式下，如果電制動功率極低而不能滿足輔助負載消耗時，中間電壓會自動跌落到額定電壓以下。此時，為了節能，雙向DC/DC回路從Buck降壓斬波充電轉為Boost升壓斬波放電，功率不足部分，僅由蓄電池輸出提供，保證輔助系統能正常運行，避免中間電壓跌落到保護門檻并觸發保護停機。

如上所述，由T1和T2橋臂構成的雙向DC/DC回路，能夠實現蓄電池的充電和放電。在牽引工況時，雙向DC/DC回路一直處于Boost升壓放電狀態；在電制動工況時，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，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。實質上中間直流電壓的變化體現的是能量流動，雙向DC/DC回路通過對中間直流電壓的閉環控制，無論是牽引還是制動工況，只要是中間電壓低于額定值，則T1截止、T2導通工作，雙向DC/DC回路轉為Boost狀態；只要是中間電壓高于額定值，則T2截止、T1導通工作，雙向DC/DC回路轉為Buck狀態。雙向DC/DC回路通過這種自適應雙向DC/DC變換，既能控制中間電壓穩定，也能保證及時響應能量流動變化；同時，為了確保雙向DC/DC回路在Boost和Buck之間相互柔性切換，將PI調節器的控制量f作為一個切換條件，能夠有效避免切換過程發生過壓過流故障。如果控制量f小于0，說明PI控制器累積控制作用已經從中間電壓目標值U*d大于中間電壓實際值Ud的正向作用轉移到U*d小于Ud的負向作用，此時雙向DC/DC回路可以柔性地進入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從U*d小于Ud的負向作用轉移到大于Ud的正向作用，此時雙向DC/DC回路可以柔性地進入Boost升壓放電模式。此外，為避免在中間額定電壓附近頻繁進行模式切換，可加入一個滯環控制器，并設置一定的電壓范圍ε。圖8為Buck-Boost轉換滯環控制器原理圖。這樣，通過以中間直流電壓為直接控制目標，對中間直流電壓進行PI閉環控制以及滯環控制，使雙向DC/DC回路自適應地選擇工作在Boost或Buck模式。該判斷方法更加簡單、準確，并且能夠安全柔性地進行Boost和Buck模式相互切換，更好地實現快速響應機車復雜能量最優變換。雙向DC/DC回路自適應柔性充放電控制原理如圖9所示。

圖8 Buck-Boost轉換滯環控制器Fig.8 Buck-Boost switching hysteresis controller

圖9 雙向DC/DC回路自適應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調節器比例系數；KI——PI調節器積分系數。

5 試驗結果與分析

以上述方案為原型的柴電混合動力機車目前已研發成功，并在廠內試運線進行了大量的試驗，能夠實現柴油機、蓄電池、柴電混合3種模式下各種工況的正常運行，圖10～圖12分別是試驗過程中采集的典型波形。

圖10 柴油機模式試驗波形Fig.10 Test waveforms in diesel engine mode

圖12 柴電混合動力模式試驗波形Fig.12 Test waveforms in diesel electric hybrid mode

圖10為柴電混合動力機車在柴油機模式下的試驗波形?？梢钥闯?，第一次手柄置于牽引狀態時，柴油機輸出電流逐漸增大，蓄電池充放電電流為負，說明此時蓄電池也正投入充電，實現了行車充電功能。當手柄置于電制動狀態時，牽引電機從電動機狀態轉為發電機狀態，向中間直流回路回饋電制動能量，中間直流電壓從額定值1 800 V瞬間抬升到1 900 V左右。當電制動回饋充電條件滿足后，蓄電池進行Buck降壓斬波充電，中間直流電壓降到額定值1 800 V，說明電制動能量得到了有效回收，實現了柴油機模式下的電制動能量回饋充電功能。

圖11為柴電混合動力機車在蓄電池模式下的試驗波形?？梢钥闯?，手柄置于牽引狀態時，蓄電池輸出電流逐漸增大，且蓄電池充放電電流為正，柴油機輸出電流一直為0，說明只有蓄電池向負載提供能量。當手柄置于電制動狀態時，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，整個切換過程非常柔性、平穩。由于電制動能量很快被吸收，除了切換時刻中間直流電壓稍有上升外，其基本穩定在1 800 V左右。隨后又進行了幾次牽引和制動工況切換，波形都基本一樣，這充分說明了自適應充放電控制方法的有效性。

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

圖12為柴電混合動力機車在混動模式下的試驗波形?？梢钥闯?，當手柄置于牽引狀態時，蓄電池放電電流逐漸增大。由于剛開始牽引功率比較小，柴油機輸出電流為0，說明剛進入牽引工況時優先使用蓄電池向負載提供能量。隨著牽引功率的逐漸增加，柴油機輸出電流也逐漸增大，此時由柴油機和蓄電池共同向負載提供能量。當手柄置于電制動狀態時，蓄電池從放電工況被平穩地切換到充電工況，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，多余的電制動能量被存儲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左右達到動態平衡。

6 結語

本文分析了柴電混合動力機車柴油機模式、蓄電池模式和“柴油機+蓄電池”混合模式的運行情況，并針對柴電混合模式下的牽引能量最優供給和電制動能量回收過程進行了詳細介紹。自適應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，能很好地實現柴電混合機車在各種復雜運行工況下的能量最優控制。在混合動力機車試驗中，機車在柴油機、蓄電池及柴電混合3種模式下均能實現無故障高效率運行，有效克服了傳統內燃機車存在的大量電制動能量被浪費、整車牽引功率受柴油機功率限制而難以大幅提升、蓄電池的功率等級低和續航里程短等問題。在長大坡道和重載運輸環境下，采用該控制方案更能從負載側顯著提升柴電混合動力機車的燃油經濟性，提高鐵路運輸的經濟效益。

受“雙碳”政策影響，未來節能環保要求將更加嚴苛。下一步將綜合考慮柴油發電機組和牽引逆變器的節能方案，進一步增大柴電混合動力機車蓄電池的牽引功率和續航里程。