双源制电力牵引调车机车的研发

术优势，符合国家建设资源节约型社会的要求。
关键词： 受电式； 储电式； 电力牵引
中图分类号： U260.9+
文献标识码： A
文章编号： 1672－1187（2012）05－0011－05
Research and development of dual power electric shunting locomotives
本文所介绍的调车机车是基于供电网受电式和蓄 电池储电式的双源制“电—电”混合动力调车机车，采 用清洁能源— ——电力作为调车机车的动力能源， 具有 绿色、环保、节能等技术优势，符合当前国家建设资源 节约型社会要求。
1 调车机车的现状
轨道交通机车按动力方式，可以分为蒸汽机车、内 燃机车和电力机车。而真正作为调车机车的量产机车， 是在内燃机车问世之后形成， 从传统来说内燃调车机 车一直占有主流地位。我国相继生产了东风 5、东风 7、 东风 12、东方红 2、东方红 5 系列的内燃调车机车，大 多在上世纪 60 年代到 90 年代研制， 采用交—直传动 方式，其效率低、噪声大，产生废烟和废气等污染环境， 运用及维护费用高。 目前全路及工矿企业普遍使用上 述类型的内燃调车机车。
第 35 卷 第 5 期 2012 年 9 月 20 日
◆ 综述专题 ◆
电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives ＆ Mass Transit Vehicles
Vol. 35 No. 5 Sep. 20th，2012
双源制电力牵引调车机车的研发 *
樊运新，高殿柱
（南车株洲电力机车有限公司 技术中心，湖南 株洲 412001）
摘 要 ： 根 据 “ 国 家 十 二 五 规 划 纲 要 ” 指 导 思 想 和 《 国 家 中 长 期 科 学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 （2006—
2020 年）》要求，文章就基于供电网受电式和蓄电池储电式的双电源制“电-电”混合动力调车机车的技术特点
进行分析，与目前柴油机作为动力的调车机车相比，双源制电力牵引调车机车具有绿色、环保、节能的明显技
随着世界各国对绿色能源及环保意识的增强，电 力能源作为一种清洁能源已经逐步成为机车的动力 源，形成了轨道电力牵引的主流地位。 在上世纪 80 年 代新加坡、 香港等发达地区就开始采用以电为动力的 调车机车，以取代内燃调车机车，我公司产品已完成了 对上述地区的出口， 采用接触网供电和大容量蓄电池 组储电的双源制调车机车以其高效、节能、环保的技术 优 势[2]，成 为 调 车 机 车 未 来 的 发 展 趋 势 。
FAN Yun-xin，GAO Dian-zhu
（R&D Center，CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China）
Abstract： According to the requirements and guideline of National 12th Five -Year Plan Outline and National Medium -and -Long -Term Technological Development Plan （2006 -2020）, this article analyses the technical characteristics of power-supply network and battery hybrid electric shunting locomotive. Compared with diesel shunting locomotive, dual power electric shunting locomotives processes the advantages of zero pollution and high energy efficiency thus meets the requirements of building an energy efficient society.
Key words： power-supply network supply； electrical storage devices supply； electric traction
0 引言
国家“十一五”规划以来，我国电气化铁路获得了 长足发展，“国家十二五规划纲要”和《国家中长期科学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 （2006—2020 年 ）》中 提 出 ：鼓 励 开发使用节能环保和新型能源，建设资源节约型社会。 目前客、货运机车已经普遍采用电力作为牵引能源，但 作为配套使用的全路及工矿企业的调车机车仍大量采 用柴油机为动力的内燃机车， 已不符合国家建设资源 节约型社会需求。
在该种工况下， 调车机车在短时间内作为货运机 车使用。由于工况有处在电气化线路上的运行间隙，因 此可充分利用电气化线路的接触网对机车进行供电， 提高调车机车的效率，减少调车机车的排放。
从以上调车机车的工况分析及技术特征看， 要求
调车机车具有很高的环境友好性，节能、环保、高效的 要求日趋严格， 传统的内燃调车机车已经很难适应当 前社会进步的要求。
3）作为电气化不连续区域的调车作业用，在工厂、 矿山、港口、电站至电气化铁路之间的无电气化区域作 业。 2.1 段内调车作业
要求机车有较大的启动牵引力，要求通过更小半径 曲线的困难线路；司机室具有良好的双向视野；由于大 多路段处于市区附近，废气排放及噪声控制要求很高。 2.2 牵引特殊车辆工程作业
牵引作业用的工程车辆， 如牵引轨道检测车/接触 网检测车，特别是在隧道作业，对调车机车的废气排放 控制要求特别高， 内燃机车产生的废气对作业人员的 健康影响非常大，为此，目前蓄电池电力工程车已成为 地铁公司的首选。 2.3 电气化及非电气化铁路间的高机动作业
考虑到柴油机的噪声及废气的排放等因素， 阿尔 斯通公司在 2008 年开发一种新型的油-电混合动力调 车 机 车[1]： 采 用 一 组 或 多 组 低 排 放 的 柴 油 发 电 机 组 （A） 和大容量 动 力 蓄 电 池 组 （B）结 合 ，共 同 为 机 车 提 供 动
收稿日期： 2012－08－10 作者简介： 樊运新，教授级高级工程师，1994 年毕业于北方交通大学应用电子专业，长期从事电力机车总体及电气系统的研发和技术管理工作 。 基金项目： 中国南车股份有限公司科技研发项目（2010NCK025）
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樊运新 等·双源制电力牵引调车机车的研发 ·* 2012 年第 5 期
8）低成本。 目前，可以作为动力电源，能实现高次充放的蓄电 池包括铅酸蓄电池、碱性蓄电池（镍镉蓄电池和镍氢蓄 电池）、锂电池等。 1）铅酸蓄电池以其电性能稳定、安全可靠、价格低 廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优 点，在各个行业广泛应用。中国的铅酸蓄电池的技术水 平已经普遍接近国际先进工业国家的技术水平， 中国 已经是全球最大的铅酸蓄电池制造和出口国家。 目前普通使用的铅酸蓄电池可分为富液式铅酸蓄 电池、阀控密封式铅酸蓄电池及胶体免维护铅酸蓄电 池，其中大容量的动力蓄电池已经普遍使用。 如长沙 丰 日 公 司 为 株 机 公 司 DWA 型 蓄 电 池 工 程 车[3]生 产 的 400 Ah 富液式铅酸蓄电池，为深圳轨道检测车生产的 320 Ah 免维护铅酸蓄电池。 2）碱性蓄电池具有寿命长、可过充过放、可大电流 放电等技术特点，特别适用于作为动力蓄电池用。碱性 蓄电池中，应用最成熟、最广泛的是镍镉蓄电池，但由 于存在严重的镉污染问题， 镍镉蓄电池的生产和使用 已受到愈来愈多的限制。 具有高比能量、高功率、适合 大电流放电、 无污染的镍氢蓄电池正逐步取代传统的 镍镉蓄电池。目前，镍氢蓄电池已经在电动汽车上广泛 使用。 3）对传统的铅酸以及镍氢和镍镉电池而言，锂电池 中不存在有毒物质，无污染，因此被称为“绿色电池”。锂 电池具有高比能量、自放电小、循环寿命长、无记忆效应 和绿色环保等特点。 其中以锰酸锂动力电池和磷酸铁 锂动力电池为主要代表。 我国的比亚迪公司已经实现 磷酸铁锂电池规模化生产技术在世界上处于领先地 位。 另有苏州星恒电源有限公司研发的锂离子动力蓄
3）大 功 率 充 放 电 能 力 ： 为 保 证 机 车 具 有 足 够 的 牵 引力，要求蓄电池具有大电流放电能力，而在对牵引蓄 电池充电时，又要求蓄电池有大电流充电能力，以减少 充电时间。
4）寿命长：一般要求能够满足深度放电大于 1 200 次。
5）环温工作范围宽：-40～75 ℃。 6）很高的使用安全性。 7）环保无污染。
4 技术经济性对比
4.1 全寿命成本分析 与传统内燃调车机车相对比，环保、节能、维护方
便、噪声低等是双源制调车机车最明显的优势。从机车 整体的全寿命成本分析， 双源制电力调车机车也具有 明显优势。 表 1 是地铁工程车中电力牵引工程车及内 燃牵引工程车的全寿命成本对比分析。
3 基于受电式和储能式电力牵引调车机车的 研发
3.1 重要性和必要性 作为路局、工厂、矿山及城轨交通配套使用的调车
机车， 是保障交通正常运作及企业正常生产的重要装 备。 正在服役的内燃调车机车每年都向大气排放大量 的烟气， 据报道我国的二氧化碳排放目前已居全球第 二，减排二氧化碳的压力越来越大。
目 前 全 路 及 工 矿 企 业 运 用 的 调 车 机 车 超 过 6 000 台，每台调车机车每年柴油定额约为 100 吨，每年将消 耗柴油 60 万吨以上。 柴油发电机目前的废气计算方法 比较多， 以每燃烧 1 kg 柴油产生烟气量约为 20 N·m3 计算， 全国内燃调车机车每年的废气排放量达到 1.2× 1010 N·m3 以上。 根据相关文献统计，1 公顷阔叶林每天 可以通过光合作用消化 2 500 L 的二氧化碳，全国内燃 调车机车的废气排放量需要近 130 万公顷的阔叶林来 消化。
双源制电力牵引调车机车采用接触网供电和蓄电 池储能供电两种电源制式。在有接触网供电时，使用接 触网受电模式，在无接触网供电时，使用蓄电池储电模 式作为机车的动力能源，驱动机车。 因此，双源制电力 调车机车具有零排放的技术优势， 发展绿色环保的双 源制电力牵引调车机车势在必行。 3.2 技术基础与条件