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