复兴号高原双源动力集中动车组关键技术

本刊特稿复兴号高原双源动力集中
动车组关键技术
钱铭1，张大勇2，廖洪涛3
（1.中国国家铁路集团有限公司，北京100844；
2.中国国家铁路集团有限公司科技和信息化部，北京100844；
3.中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001）
摘要：为满足拉林电气化铁路和拉日非电气化铁路贯通运营需求，中国国家铁路集团有限公
司组织研制了一款新型复兴号高原双源动力集中动车组。

介绍线路环境及需攻克的内电一体化、
内电双控、高原适应性等难题，重点阐述复兴号高原双源动力集中动车组整车关键系统方案和
技术特点，可为后续动车组创新研发提供技术参考。

关键词：高原铁路；拉林铁路；拉日铁路；复兴号；动力集中动车组；双源动力；内电双控
中图分类号：U266.2文献标识码：A文章编号：1001-683X（2022）06-0001-09 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2022.03.18.001
1概述
拉日铁路于2015年开通运营，线路允许最高速度为120km/h，为非电气化铁路；拉林铁路于2021年开通运营，线路允许最高速度为160km/h，是西藏地区首条电气化铁路。

为满足西藏人民日益增长的美好生活需要和富民西藏的迫切需要，实现复兴号动车组中国内陆省份的全覆盖和拉林、拉日铁路的贯通运行，中国国家铁路集团有限公司于2020年10月开始组织研制一款适用于高原环境需求的内燃、电力双源动力集中动车组，能够实现在电气化和非电气化线路上贯通运行。

双源制式动力集中动车组在国际上已有应用案
例［1-2］。

美国运用的ALP-45DP列车内燃电力集成式动
力车，配置2台1567kW柴油机组，采用柴油机组和
弓网牵引设备集成在1辆动力车上的设计方式，电力模
式下的轮周功率为4000kW，内燃模式下的轮周功率
为2700kW；西班牙运用的RENFE730动力集中型动
车组动力车是在Talgo250的头车（电力动力车）后部
加1辆内燃发电车［3-4］，内燃发电车配置1台1800kW
柴油机组，采用电力动力车+内燃发电车AB节动力车
组的方式，电力模式下的轮周功率为2400kW，内燃
模式下的轮周功率为1200kW，最大起动牵引力为220kN［5-6］。

但上述动车组总功率偏小、载客量偏低，且无法满足高原环境的运用需求。

拉林拉日线全长686km，属于高原铁路，具有高
海拔、多隧道、坡度大、缺氧、低温低压、强紫外线、
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2020J032）
第一作者：钱铭（1964—），男，副总经理，正高级工程师。

E-mail：**************************.cn
雨雪和雷击频繁等线路及环境特点［7-9］，当前世界上适用于高原铁路的机车车辆主要在我国境内，主要有NJ2型机车、高原HX N3型内燃机车、高原HX D1D型机车、高原HX D1C型机车、青藏高原客车、KD25T青藏铁路发电车等产品［10-15］，适用于高原环境的双源动力集中动车组还属世界空白，研制该型动车组需解决内燃动力和电力动力的操控一体化关键技术，研究动车组在高海拔、多隧道、跨电气化和非电气化运营环境下的复杂组合工况适用性、安全性和可靠性。

2复兴号高原双源动力集中动车组方案
2.1顶层研制目标及主要技术参数
为满足在拉林、拉日铁路安全、经济、高效贯通运行的需要，复兴号高原双源动力集中动车组必须通过技术创新实现以下顶层研制目标：
（1）适应复杂高原环境需求。

适应西藏地区拉林、拉日铁路沿线高原缺氧、低温低压、强紫外线、雨雪和雷击频繁等恶劣自然环境，充分考虑全线桥隧比高、隧道长、坡道大、救援困难等线路特点。

（2）满足当地载客量需求。

采用1Mec+（8～12）T+ Md+Mdc编组形式，其中Mec为带司机室的电力动力车、Md为不带司机室的内燃动力车、Mdc为带司机室的内燃动力车、T为拖车。

（3）满足内电贯通运行需求。

拉林铁路采用电力牵引/推进，拉日铁路采用内燃牵引/推进；同时保持安全冗余，当拉林线路上电力动力车动力全丧失时，采用内燃应急牵引/推进。

（4）具有优良控制特性。

司机可在单端实现电力和内燃模式下的司乘操作，通过单端司机室显示屏查看整列车状态，显示界面保持统一，微机、监控显示屏根据电力和内燃模式进行差异化显示。

复兴号高原双源动力集中动车组主要技术参数见表1。

2.2编组及车型布局
复兴号高原双源动力集中动车组日常运用编组形式为1Mec+9T+1Md+1Mdc，具体编组车型总体布局见图1，各车辆配置见表2。

2.3主要技术特点
在高原电力、内燃机车和客车技术积累基础上，整列车根据工况需求进行了创新设计，具有如下技术特点：
表1
复兴号高原双源动力集中动车组主要技术参数
图1复兴号高原双源动力集中动车组编组车型总体布局
（1）内燃、电力双源动力集成设计：采用2×3200kW 内燃动力车+7200kW电力动力车双动力编组端车独立配置，实现电气化和非电气化区段跨线运行。

针对内燃动力车、电力动力车和拖车，整列车从外观设计、控制信息网络、安全监测环路、列车供电、制氧系统及压力波等方面采用相同策略统一规划设计。

（2）内燃、电力动力车双动力源一体化操控设计：首次提出动车组内、电双端互控的运用模式，具备电控电牵、电控内牵、内控电牵、内控内牵4种牵引模式组合，运行中内、电牵引动力和供电电源快速切换，故障单元自动隔离和转换，内、电系统状态互联互通。

（3）高原型大功率柴油机：装用3200kW标定功率（海拔2800m）的12V265B型柴油机，采用高压比叶轮、可变喷嘴环增压器、故障预测与健康管理（PHM）、降噪控制等技术，实现中速柴油机运用海拔最高、功率最大的目标，各项性能指标达到世界先进水平。

（4）控制及监测双网：列车采用一体化车辆级、列车级控制网控制。

研制了列车高速安全监控网，具备柴油机组、通风系统、牵引变流和部件工作负荷等4类典型健康状态诊断功能，实现防火、视频、制动、走行、列供、绝缘、车门、防滑八大安全监控，利用远程车地数据传输技术，实现车地实时交互、远程动态监测等功能。

（5）优越的乘坐舒适性设计：采用大断面宽体气密车体、一体化不间断自动供氧及过隧道压力波主被动结合控制等技术，确保乘坐人员的舒适感受；商务座椅设置有坐姿、半躺、全躺功能及自由调节的半包围结构。

（6）装备的高原、多隧道环境适应性设计：通过采用电气绝缘性能提升及防雷设计，外部橡胶、油漆、玻璃等非金属部件抗紫外线及耐风沙设计，选用可降解环保轮缘润滑脂，增设污水收集装置、制动防寒加热装置，对标EN45545：2013《铁路应用铁路机车车辆防火》提升防火设计等措施，实现高原电气适应性、防紫外线性能、环保性能、低温适应性能及多隧道适应性能等的提升设计，以定制适用于高原山区的铁路机车车辆装备。

3关键系统方案
3.1司机室及客室界面
复兴号高原双源动力集中动车组司机室和客室界面秉承良好的舒适性和美观性设计理念。

司机室（见图2）分别设在电力动力车和内燃动力车的前端，具有同样操作方式，人机界面保持完全一致，具备电力和内燃2种操控模式。

内燃动力车司机室通过减振元件与车体连接，提升了司乘人员的舒适性。

客室区域在防紫外线、耐低气压、环保等方面进行特别设计，采用防紫外线卷帘帘布，满足紫外线防护系数（UPF）>40，且平均紫外线透射比（UVA
）<5%，车门密封胶条、粘接密封胶采用耐紫外线材质；为应对高
图2司机室
表2
复兴号高原双源动力集中动车组主要配置
原低气压，客室车窗玻璃采用内外压力自平衡式中空玻璃，并带有电加热装置；为满足高原地区运用零排放的需要，卫生系统增设卫生间、洗面间、茶炉室、餐吧区污水收集装置。

内装墙板集成隐藏式衣帽钩、卷帘设计，防腐地板和隔音材料复合设计；一等座椅和二等座椅集成插座和供氧口（残疾人座椅及商务座椅供氧口设于侧墙）；商务座区（见图3）配置半包围设计的鱼骨式智能商务座椅，坐姿到躺姿可无级调节，设有侧柜台面、插座、阅读灯、储物格、无线充电等；客室电控塞拉车门适应1250mm 高站台，设置内外端门。

3.2电气系统
复兴号高原双源动力集中动车组电气系统拓扑架
构见图4。

电力动力车电气系统高压侧采用双弓、双主
断、双高压电压互感器的结构配置，大大提升了高压系统可靠性，主电路采用“交-直-交”电传动形式，主辅共用中间直流回路，电制动时可通过主辅共用的中间直流回路实现辅助电源在过分相时的不间断供电。

内燃动力车采用主辅一体式交流传动系统的拓扑架构，辅助传动和列车供电共用中间直流环节；动力车主发电机2套绕组分别连接2组主发整流后通过中间直流环节连接牵引逆变器和制动电阻，中间直流环节同时通过DC/DC 变换模块将电能转换为DC 600V 电源用于提供列车供电及动力车辅助传动用电。

列车供电系统采用DC 600V 全列贯通，由电力动力车或内燃动力车（含2辆）组合输出。

当动车组为电力模式，列车供电由电力动力车输出，除拖车用电外，还为内燃动力车控制设备、空调、制氧设备及柴油机保温设备供电；当动车组为内燃模式，列车供电由内燃动力车输出，除拖车用电外，还为电力动力车控制设备、空调及制氧设备供电。

电力动力车、内燃动力车及拖车均设置蓄电池及充电机提供DC 110V 电源，并且全列贯通，应急工况下的拖车蓄电池及充电机可为内燃动力车、电力动力
车进行DC 110V 供电。

复兴号高原双源动力集中动车组电气绝缘及防雷性能按照GB/T 21413.1—2018《轨道交通机车车辆电气设备第1部分：一般使用条件和通用规则》、TB/T 3213—2009《高原机车车辆电工电子产品通用技术条件》进行修正设计、系统选型及验证［16-17］。

3.3柴油机及辅助系统
采用成熟可靠的12V265B 型柴油机，在不同海拔
工况下的功率及油耗情况见表3。

针对高原环境减小柴油机高原降功比率［
18］
，在提
图3商务座区
图4复兴号高原双源动力集中动车组电气系统拓扑架构
表3
12V265B
型柴油机不同海拔工况下的功率及油耗
升柴油机高原运用经济性、安全性和监控保护能力等方面进行优化：
（1）采用高原型增压器，增加高原运用时的增压压比，优化空燃比，采用适应高原环境使用的VTG 控制程序。

（2）优化中冷器，降低高压比后的进气温度。

（3）优化柴油机控制软件，增加供油提前角自动调整功能、系统和部件预警功能，以及柴油机关键系统和部件的健康状态监测功能。

（4）针对高原海拔高度和环境温度，优化柴油机牵引曲线和功率修正曲线（见图5、图6），使得柴油机满足高原运用时排温、增压器转速等限度要求。

内燃动力车辅助系统（燃油系统、机油系统、冷却系统、空气滤清系统）在FXN3型内燃机车基础上进行适应性优化，并增加保温加热系统。

对燃油系统中的燃油管路进行优化，取消燃油重联管路及冬夏季转换手动阀及部分相关联管路；对柴油机冷却系统散热器模块、
膨胀水箱、冷却水管路进行调整；空气滤清系统由机械间内进气改为车外独立进气，空气滤清装置模块采用顶置设计，通风间风机采用车外独立进气方式。

保温加热系统通过加热装置、循环水泵、循环油泵及管路实现电力动力车牵引模式下的柴油机“热准备”。

3.4网络控制系统
通过分析32类典型运用场景、23类故障场景，复
兴号高原双源动力集中动车组控制系统融入电力动力车与内燃动力车的联控互控功能，在原有电力司机操作控制部件基础上增设“内电模式选择”转换开关、“主发励磁”转换开关、“机控”扳键开关、“柴油机起机”按钮和“柴油机停机”按钮，以实现两端司机室任何一端主控时对内燃柴油机起停、励磁和电力升降弓、分合主断、牵引、制动等指令的控制功能，并新增内电模式转换、柴油机起机及保温、速度/转矩模式转换、内电自动换端、同步/异步过分相、内电列供互锁等控制功能，以实现内燃和电力分置式配置、双控及交叉匹配。

复兴号高原双源动力集中动车组网络系统由列车控制网和列车安全监控网组成，其网络拓扑架构见图7。

列车控制网采用两级总线，网络控制系统的列车级通信采用WTB 总线贯穿全列，具有动态编组能力，列车级总线具有A 、B 通道冗余功能，任一通道故障不应影响动车组运行；动力车车辆级通信采用MVB 总线和以太网。

列车安全监控网通过双路冗余的工业以太网实现动力车监测信息（含防火信息、轴温信息、制动信息、视频信息、高压绝缘信息、列车供电信息及中国机车远程监测与诊断系统（CMD ）信息等）与拖车监测信息（含供电信息、空调信息、轴温信息、烟火信息、塞拉门信息、制氧信息、制动信息、停放制动信息、转向架信息、防滑器信息、绝缘检测信息、车下电源信息等）的信息交互，并设置有五大安全环路（车门、轴温、制动、火灾、火警、停放）。

3.5车体
复兴号高原双源动力集中动车组整列车车体采用
一体化鼓形设计，车体司机室区域和客室区域通过钢结构及各安装部件的气密性控制以及客室区域冷凝水集中收集排放，实现大断面宽体高气密性设计，同时
动力车头部设开闭机构，具备手动开闭功能，并预留
图6柴油机高原运用功率修正曲线
图5柴油机高原运用牵引曲线
增加自动开闭功能接口，各车辆间采用统型的内外风挡，内风挡采用双层折棚气密风挡。

端部车钩采用105A 型车钩缓冲装置，中间车钩采用密接式车钩缓冲
装置，可实现机械自动连挂。

为应对高原强紫外线，
对车体外部油漆、内外风挡、开闭机构密封件等外部非金属件进行防紫外线、抗老化性能提升，密接式车钩在钩头位置增加防风沙、耐紫外线密封圈。

复兴号高原双源动力集中动车组车体主要参数见表4。

3.6转向架
复兴号高原双源动力集中动车组电力动力车采用
C 0转向架，内燃动力车采用A1A 转向架，拖车采用2轴无动力转向架，其主要参数见表5。

电力动力车转向架采用电机顺置式布置；驱动单元采用弹性架悬，驱动系统采用单侧直齿轮+六连杆驱动方式；一系悬挂采用单拉杆轴箱定位+螺旋弹簧+垂向减振器方式；二系悬挂采用高圆弹簧+橡胶垫结构，辅以各向减振器；牵引装置采用低位单牵引杆结构；基础制动采用轮盘制动方式。

内燃动力车转向架采用电机轴端对称布置；驱动单元采用刚性架悬，驱动系统采用单侧斜齿轮+六连杆驱动方式；一系悬挂采用单拉杆轴箱定位+螺旋弹簧和
图7复兴号高原双源动力集中动车组网络拓扑架构
表4
复兴号高原双源动力集中动车组车体主要参数
表5
复兴号高原双源动力集中动车组转向架主要参数mm
减振垫方式，1、3轴安装垂向减振器；二系悬挂采用高圆弹簧+橡胶垫结构，辅以各向减振器；牵引装置采用四连杆方式；基础制动采用轮盘制动方式。

拖车转向架采用无摇枕形式、H 形焊接结构构架；二系悬挂采用空气弹簧，设置抗侧滚扭杆，辅以各向减振器；一系悬挂采用圆柱螺旋弹簧；轴箱采用转臂式定位；牵引装置采用双牵引拉杆结构；基础制动采用轴盘制动方式。

为提升环保性能，动力车轮缘润滑装置采用环保
型轮轨润滑脂；为应对紫外线强、风沙大的高原环境，拖车转向架配置空气弹簧橡胶防护罩，动力车和拖车转向架减振器配置防尘罩；为应对高原雷击频繁，拖车转向架加装接地装置。

3.7制动系统
复兴号高原双源动力集中动车组采用自动式空气
制动系统，即列车管减压产生制动作用方式，采用五线制电空制动，双管供风，设有列车管和总风管贯通全列车，其制动系统拓扑架构见图8。

动车组通过制动控制器实施自动制动时，拖车、内燃动力车实施空气制动，电力动力车具有优先使用动力制动的功能，当电力动力车动力制动失效时自动投入空气制动。

电力动力车及带司机室内燃动力车制动系统具备本/补模式切换功能和单独制动功能，不带司机室内燃动力车为补机模式，不具备单独制动、空气后备制动控制功能，电力动力车（Mec ）具备空电联合与空电联锁功能，内燃动力车（Mdc 和Md ）仅具备空电联锁功能。

动力车制动系统采用CAB 型分布式网络智能模块空气制动系统，拖车采用F8电空制动机。

动车组风源系统在电力动力车配置2台单机容积流量3000L/min 的空气压缩机，内燃动力车配置3台单机容积流量2750L/min 的空气压缩机（Mdc 动力车1台、Md 动力车2台），各动力车均设有1000L 的总风缸，电力动力车配置1台辅助压缩机和升弓风缸，为受电弓及主断路器提供风源，并设置有制动低温自动防寒加热装置。

3.8压力波保护及制氧
为应对拉林拉日线多隧道的特点，整列车空调配
备被动及主动结合的压力波保护装置，进入隧道时，可通过安装在头车的压力波传感器或通过LKJ 获取线路信息快速关闭新风和废排阀门，实现对车内压力波动的控制。

为应对高原缺氧环境［19］，复兴号高原双源动力集中动车组配置一体化制氧系统，制氧压缩空气全列车贯通，其制氧系统拓扑架构见图9。

供氧方式分为弥散式供氧和分布式供氧。

弥散式供氧是制氧机将富氧空气输送至空调机组送风口，富氧空气与空调风一起送入司机室或客室；分布式供氧是制氧机将富氧空气通过专门管路及终端设备送入司机室或客室。

动车组内弥散供氧氧气浓度设计为≥23.6%，且具备过分相制氧空压机不停机功能。

3.9防火安全设计
为提升复兴号高原双源动力集中动车组高原、多隧
道复杂线路环境的防火安全性，整车对标EN 45545：2013《铁路应用铁路机车车辆防火》要求进行防火设计。

（1）材料防火方面：部分金属材料选用熔点更高
的碳钢材质替代原有铝合金材质，提升电气屏柜或门
…………
…………
车辆风缸
制动控制器
制动控制器
列车管电空五线电缆
列车管电空五线电缆
拖车
总风缸
（1 000 L）
总风缸（1 000 L）1台压缩机
总风缸
内燃动力车（Md）
2台压缩机
内燃动力车（Mdc）
CAB制动机
F8制动机
CAB制动机
2台压缩机
电力动力车（Mec）（1 000 L）CAB制动机
总风管
0.75～0.90 MPa
总风管
0.75～0.90 MPa
图8复兴号高原双源动力集中动车组制动系统拓扑架构
的防火性能；部分非金属材料和部件替换为满足EN 45545-2标准要求的新材料或新增EN 45545-2防火标准试验要求。

（2）电气线路和设备防火设计方面：优化大功率部件短路、接地等电气保护逻辑，变流柜及供电柜采用干式电容，新增火灾报警与制氧系统联动控制。

（3）柴油机系统防火设计方面：增加曲轴箱防爆阀、燃油防火罩、增压器防护罩、中冷器隔热层等防护设计。

（4）火灾探测及灭火设备方面：设置火灾报警安全环路，变流柜、制氧机室、内燃动力间等关键区域设置火灾探测器，针对电力动力车列供柜试装固定式灭火装置。

动车组火灾探测报警系统拓扑架构见图10。

（5）防火隔断设计方面：司机室入口门采用防火门设计，客室外端门采用防火拉门，与动力车连挂外端门采用防火门，耐火隔热性不低于15min 。

4结束语
复兴号高原双源动力集中动车组通过105项型式试
验，2021年6月25日3列动车组正式在拉林拉日线上线运营，填补了我国双源制式动车组领域的空白，丰富了复兴号动车组谱系，内电双源融合控制、控制及监测智能化双网并行、不间断自动供氧、压力波主被动结合控制、柴油机高海拔低降功比等技术首次得到
应用和验证，为高原动车组技术研发、工程设计、运用、维护提供了宝贵经验。

复兴号高原双源动力集中动车组实现了复兴号动车组中国内陆省份全覆盖，结束了藏东南地区不通铁路的历史，实现了西藏首条高原电气化铁路动车组的开通运营，进一步完善了区域
综合交通运输体系。

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责任编辑高红义
收稿日期2022-03-18
Key Technologies of Fuxing Plateau Dual-source Power Centralized EMU
QIAN Ming1,ZHANG Dayong2,LIAO Hongtao3
(1.China State Railway Group Co Ltd,Beijing100844,China;
2.Technology and Information Department,China State Railway Group Co Ltd,Beijing100844,China;
3.CRRC Zhuzhou Locomotive Co Ltd,Zhuzhou Hunan412001,China)
Abstract:In order to meet the through operation requirements of Lhasa-Nyingchi Electrified Railway and Lasa-Rikaze Non-electrified Railway,China State Railway Group Co Ltd organized the development of a new Fuxing plateau double-source power centralized EMU model.This paper introduces the railway environment and the difficulties to be tackled,such as the integration of diesel-electric hybrid power,the dual control of diesel-electric hybrid power and the plateau adaptability,and emphatically elaborates the key system scheme and technical characteristics for complete vehicle of Fuxing plateau dual-source power centralized EMU,which can provide a technical reference for the follow-up innovation and R&D of EMUs.
Keywords:plateau railway;lhasa-nyingchi railway;lasa-rikaze railway;fuxing;power centralized EMU;dual-source power;dual control of diesel-electric hybrid power。