浅谈动车组新型油电混合动力技术

浅谈动车组新型油电混合动力技术

刘尧 贾坤 蔡敦洁

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266111

摘要：随着我国铁路网络的不断建设与完善，我国的高速铁路也有了较大的进步，同时我国在高速列车上的研究也更加的深入。目前我国的高速列车在速度上正在不断进行突破，同时在能源利用上也在不断进行新的研究。通过采用混合动力的动车组，使列车在行车过程中的污染物排放量能够明显降低，对于提高能源的利用率以及列车的行车效率有重要意义，同时对于中国倡导的绿色低碳以及节能环保起到了很大的促进作用。相较于传统的混合动力动车组，新型的油电混合动力动车组有更多的优势，因此本文基于油电混合技术对新型的混合动力动车组进行了相关研究，详细介绍了传统的与新型的混合动力动车组的应用原理与存在的问题，突出了新型混合动力动车组在未来几年较好的发展前景。

关键词：油电混合；新型混合动力；动车组

0引言

我国的高铁从起步到现在不过十余年的时间，但发展的成果已经十分突出，现如今的高铁速度已经达到了一个较高的水平，给人们的出行带来了极大的方便。目前的高铁动车组根据动力不同，分为两类，分别是电动动力动车组和内燃动力动车组。在电气化的路段，通过电网提供电力驱动动车组；在非电气化的路段，则采用柴油机驱动动车组。传统的混合动力动车组是基于内燃动车组进行改造，而随着新型油电混合动力动车组的出现，能够将铁路的有网区段与无网区段进行有效连接，实现了电气化区段与非电气化区段的一体化，是未来混合动力动车组发展的主要方向。

1 传统混合动力动车组

内燃动力动车组在行车过程中，当经过非电气化的路段时，由于提供动力的是柴油机，因此其在使用的过程中会对环境产生一定的影响。为了能够尽可能的降低动车组行车过程中对环境的影响，同时为了能够提高能源的利用效率，传统的混合动力动车组在原有动车组的基础上对动车组的动力源进行了改进，由原来的单一内燃动力源变为混合动力源，主要有两种，分别为柴油—蓄电池混合动力系统以及燃料电池混合动力系统。不同的动力系统工作原理不同，其特点也不相同，同时也都存在不同程度的缺陷，具体如下。

1.1柴油-蓄电池混合动力动车组

采用柴油-蓄电池混合动力系统的动车组，其混合动力系统有两种形式，分别为并联混合动力系统与串联混合动力系统。

1. 并联混合动力系统，其动力由柴油机与电动机提供，并且两者采用的是平行结构，柴油机与电动机所产生的的机械能由液力变矩器传递到动车组的车轮上，为动车组提供行车动力，具体结构如图1。

图1 并联混合动力系统

2. 串联混合动力系统，通常将发电机与内燃机当作一个动力包，即为内燃发电机动力包，这个动力包产生动力驱动动车组前进，是整个动车组中唯一的动力源。其中动力包中的蓄电池具有充放电特性，对于平衡串联混合动力系统中的功率有重要作用。动车组在行车过程中，如果内燃发电机动力包提供的功率超过列车所需要的功率，那么蓄电池进行充电；如果内燃发电机动力包提供的功率低于车辆当前所需要的功率，则蓄电池进行放电，具体结构如图2。

图2 串联混合动力系统

1.2 燃料电池混合动力动车组

燃料电池混合动力动车组是将原来的内燃动车组中的内燃动车替换为燃料电池混合动力动车，原来为动车提供动力的柴油机被燃料电池取代，同时柴油箱也被替换为高压氢罐。当列车在停车时，燃料电池工作，为动车组的蓄电池充电；当列车正式行驶时，蓄电池与燃料电池共同作为动力源，为列车的行车提供动力；当列车处于惰行状态时，蓄电池通过燃料电池继续进行充电，从而使下次的列车加速有足够的动力；当列车制动时，再生制动会产生一定的能量，这部分能量会储存在蓄电池中，用于后续的列车行驶，具体结构如图3。

图3 燃料电池混合动力系统

虽然燃料电池混合动力动车组看起来十分的节能环保，同时能源利用的效率也较高，但燃料电池所使用的氢气大量的存储与运输依然比较困难，因此这种燃料电池的混合动力系统目前难以得到广泛的应用。

传动混合动力动车组基于原有动车组进行了改造，使列车的排放量得到了明显的下降，同时还提高了能源的利用效率，但其只能够在无网的区段运行，不能够将电气化区段以及非电气化区段进行有效的连接，限制了动车组与铁路系统的联动，因此提出了新型的基于油电混合技术的混合动力动车组。

2油电混合动力动车组

尽管我国铁路建设在不断进行中，但现阶段我国还存在较多的非电气化区段，如果全部都架设接触网，会带来较大的费用支出。通过对传统混合动力动车组进行进一步的改进研究出了油电混合动力动车组，通过采用这种动车组，使有网区段和无网区段的连接成为现实。当列车经过有网区段时，高压电网为列车行车提供动力；当列车经过无网区段时，内燃发电机组和储能系统为列车行车提供动力。

2.1油电混合技术

在油电混合的动力系统中，其驱动系统包括内燃机与发电机，两者采用串联的形式构成柴油发电机组，可以称之为内燃动力包。整个动力系统中，柴油机负责将机械能转换为电能，从而驱动电动机为列车提供动力；储能设备则负责平衡系统中的功率，同时对内燃动力包的电能质量进行优化。采用串联结构时，当柴油机的转速达到最高时，其燃油经济性最好。如果列车需要在电气化区段和非电气化区段间进行切换时，通过列车驾驶员进行开关选择，当从非电气化区段向电气化区段行驶时，列车需要采用电网供电，驾驶员按下受电弓升弓按钮；当从电气化区段向非电气化区段行驶时，列车采用柴油机供电，驾驶员按下柴油机运行按钮。

2.2柴油发电机组系统

在无网区段，列车通过柴油发电机组提供动力，柴油发电机组包括机械部分与电气部分，而机械部分包括柴油机及其调速系统，电气部分包括同步发电机及其负载部分，整个系统中机械部分的实时响应速度滞后于电气部分。柴油发电机组工作时，柴油发动机运转产生机械能，带动同步发电机进行发电，而同步发电机根据得到的转速与柴油机的调速器之间构成一个闭环的转速结构，使同步发电机能够得到相应的励磁电压。为了确保柴油机转速稳定，从而能够输出频率相对恒定的交流电，柴油发动机需要使用调速机构。当负载增加时，阻力矩增大，柴油机的转速降低，给定的油量下降；当负载恒定时，给定的油量保持不变。因为柴油机的动态响应存在一定的滞后性，当负载改变时，难以及时调整输出转矩从而应对不同情况，所以需要并联一个储能器辅助柴油机运行，同时平衡系统功率。当列车所需要的功率下降时，储能器能够储存多余的能量；当需要的功率上升时，储能器输出相应的能量。

3总结

本文通过对混合动力动车进行分析，详细介绍了传统混合动力动车组与新型混合动力动车组的动力组成，在此基础上对基于油电混合技术的新型混合动力动车组进行了研究。通过对比分析，能够发现传统的混合动力动车组尽管能够实现低碳环保节能的目标，但只适用于非电气化区段，应用受限。而新型的油电混合动力动车组能够将电气化区段与非电气化区段连接起来，从而应用范围更广，使铁路运营成本更低，是未来高速铁路发展的主要方向。

参考文献

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