齐 彪，范丽冰，周安德，吕志龙
(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412100)
随着近年来人类社会环保意识的提高，人们越来越认识到传统内燃车高排放污染对人类环境带来的危害。传统内燃动车动力系统运行排放所造成的空气质量日益恶化，环境保护的迫切性和石油储量日见短缺的压力，迫使人们去考虑内燃动车组动力系统问题，寻求最优的解决方案[1]。利用储能设备与内燃动力组成的混合动力系统，不仅可以节省燃油，降低污染物排放，同时还可以降低运营成本，是很有发展前景的综合能源利用系统[2]，也是近年来轨道交通领域研究的热点。这种新型系统不仅保留了内燃动力高线路适用性的优点，同时运行过程中可短时进行全电力牵引，实现列车低排放、低噪音运行，大大提升了列车环保性能。
超级电容具有大电流充放电的特性，可提供瞬时大功率[3]，结合现阶段超级电容储能电源发展成果，本文提出了一种基于内燃柴油机与超级电容储能电源的混合动力系统，并在此基础上提出一种动力控制方法，使动车组具有优良的动力性能，同时综合考虑动车组的各种运用工况，使列车能在各个工况之间灵活切换，保持低排放、高节能的特性。最后通过实验验证了动力系统和控制方法的有效性。
1.1 混合动力系统构架
混合动力系统总体构架(见图1)，主要包括柴油机动力包、整流器、超级电容储能电源、变流器、牵引电机、制动电阻和辅助逆变器等。
图1 混合动力系统构架示意图
柴油内燃动力包是一个柴油发电机组，将柴油化石能量转化为三相交流电能，然后经三相不可控整流器整流和DC-DC直流调压后，转化为直流电源输出到中间回路。超级电容采用直接并联的方式连接到中间直流回路上，一起给变流器后端负载供能。
在列车牵引工况，动力包和超级电容同时给牵引变流器(包括牵引逆变器和辅助逆变器)供电。由于超级电容具有短时大功率输出特性，列车能在短时内加速到最高运营速度。在列车惰行工况，动力包除少量功率用于维持列车恒速运行外，多余的功率可用于给超级电容充电，使超级电容处于高电量的状态，以备下阶段超级电容牵引功率输出。
在列车制动工况，牵引电机作为发电机将制动回馈电能给辅助系统利用，同时给超级电容充电，实现能量的回收利用；
如果回馈能量较大，回馈能量中多余的电能由制动电阻以热量的方式进行释放。
1.2 混合动力系统动力模式
混合动力系统包括多种动力模式。通过选择不同的动力模式适应列车不同的应用场景和工况。
柴油机动力包供能模式：①当列车运行在低速区间或整车功率消耗较低时，柴油动力包的输出功率就能满足列车的功率需求，此时不需要超级电容输出。系统工作仅在柴油机动力包供能模式。②当超级电容需要充电时，启动柴油机给超级电容充电，此时系统也处于柴油机动力包供能模式。
超级电容储能电源供能模式：当列车处于库内或在车站等人口密集、对噪声要求比较高的场合，关闭柴油动力包仅启动超级电容，使列车实现短距离牵引。由于柴油机未启动，列车此时静音运行。
柴油机动力包和超级电容储能电源混合动力牵引：列车需要爬坡或加速时，此时单个动力不能满足牵引需求。由于超级电容储能电源能提供瞬时大功率，因此，此时处于混合动力模式，列车具有优良的动力性能。
2.1 控制系统组成
混合动力系统要实现包括静态运行、牵引控制、制动控制和惰行控制等多种工作状态的控制，规定各个模式下的操作步骤，控制不同模式下动力包与超级电容的相互协同工作。控制系统组成示意图如图2所示。
图2 混合动力控制系统示意图
图2中，司机模型是司机根据列车实际车速、线路工况和目标车速等条件给出的司控器手柄级位。
司机意图解释模块主要功能是，根据当前列车实际车速和司机给出的手柄信号，计算出当前整车需要输出的目标转矩，并将该信号发送给功率需求计算模块和牵引逆变器。
功率需求计算模块根据目标转矩、实时车速和逆变器实时反馈辅助功率，计算出当前整车总功率需求。
能量管理模块根据当前整车总功率需求、动力包可用功率限值、超级电容输出功率限值，根据超级电容配比策略，将功率配比输出需求发送给动力包和超级电容。
动力包模块根据当前所需功率和实际输出功率，调整转速直到实现目标功率和实际功率相同。
超级电容模型则将超级电容的实时电压、模组温度等发送网络及逆变器。
逆变器模块根据当前整车所需输出力矩、控制电机输出相应力矩，同时限制超级电容充放电电流。
2.2 功率需求计算
混合动力系统要解决的核心问题是对功率的控制，第一步是计算系统总的功率需求。整车功率需求包括牵引功率和辅助功率两个部分。如上所述，功率需求计算模块根据目标转矩、车速和辅助功率等输入信息计算当前的功率需求。具体计算方法如下。
在不考虑系统效率的情况下，牵引功率计算可表示为：
(1)
其中，v表示列车车速；
μ表示司控器手柄牵引级位；
F为牵引力，是车速和手柄级位的函数。
总的功率需求为牵引负载和辅助负载之和，即：
Pr(v，μ)=PL(v，μ)+Psiv
(2)
其中，Psiv表示辅助系统功率。
2.3 功率配比策略
确定不同动力源的功率配比是混合动力系统能量管理需要解决的核心问题，直接决定系统的工作特性。由于车载超级电容所储存的能量有限，长时间大功率输出将导致馈电的风险，影响车辆加速性能。因此，确定“动力包优先发挥，超级电容补充输出”为混合动力系统功率配比原则，避免超级电容过度放电的问题。动力包和超级电容功率配比主要由需求功率和超级电容实时电压决定。
2.3.1 超级电容电压大于等于设定值
当超级电容实时电压大于等于设定值表示超级电容电量较充足，允许即时的大功率输出。因此，当需求功率小于动力包最大可用功率时，能量管理模块向动力包发目标功率需求(见图2)，功率全由动力包输出，超级电容不输出；
当需求功率大于动力包最大可用功率时，能量管理模块向动力包发目标功率需求，动力包按最大功率输出，超级电容补充超出的部分。
2.3.2 超级电容电压小于设定值
当超级电容实时电压小于设定值表示超级电容处于电量水平较低的状态，需要补充电能。因此，当需求功率小于动力包的可输出最大功率时，能量管理模块向动力包发目标功率需求，动力包全功率输出，一部分满足牵引辅助端功率需求，剩余部分给超级电容充电，使超级电容保持高电量水平，进而保证列车动力系统的二次加速性能。
当需求功率大于动力包的最大可输出功率时，能量管理模块向动力包发目标功率需求，动力包全功率输出，超级电容补充输出超出的部分。
2.4 制动能量回收策略
车辆进行制动时，满足速度要求的情况下，施加电制动，此时功率需求计算模块计算的需求功率值为负值，动力系统进入制动模式。混合动力进入制动模式时，电制动再生能量给辅助系统供电，多余的能量给超级电容充电。
根据车辆电制动特性，车辆开始制动的起始速度决定电制动回馈的能量大小。为了更合理利用超级电容回收制动再生能量，达到混合动力节能减排的目的，须根据车辆实时车速控制超级电容的电量状态，预留足够的电量空间，回收制动能量。由于超级电容直接并联在中间直流回路上(见图1)，超容电压和中间直流回路电压相等，利用整流器内DC-DC模块根据车辆实时车速对中间回路电压进行控制实现对超容电量的控制。具体如表1所示。
表1 中间电压控制列表
车辆制动时的速度越高，电制动回馈能量越大，表1中电压阈值的设置随着速度区间的增大依次减小。
某混合动力动车组采用了该混合动力系统。对该系统进行了滚动试验台地面组合试验验证，试验系统参数如表2所示。
表2 试验主要参数
运用上述混合动力控制方法，针对混合动力系统可能处于的各种工作状态，测试各个工况下系统的工作参数与效能。
3.1 牵引工况测试
将滚动测试台的速度保持在50 km/h，牵引级位从0调整到100%，模拟列车牵引工况。测试结果如图3所示。
图3 牵引工况测试结果
从图3可看出，随着牵引级位加大，动力系统牵引功率从0增加到约600 kW。牵引功率增加过程中，整流器功率优先输出，6 s时刻增加到最大输出；
超级电容由充电转为放电补充功率输出，约11 s时输出功率达到最大，超级电容电压从830 V降低到约790 V。试验结果证明了“动力包优先发挥，超级电容补充输出”混合动力系统功率配比策略的有效性。
3.2 惰行工况测试
利用外部负载将超级电容放电至电量较低的水平，同时滚动测试台的速度保持在80 km/h，牵引级位保持为0，模拟列车惰性工况。测试结果如图4所示。
图4测试结果显示，列车惰行时超级电容处于充电状态，电压从约640 V上升到约830 V，830 V后整流器DC-DC控制充电电流减小，电压到达控制阈值后保持平稳不再上升。符合系统惰性工况设定的控制效果。
图4 惰行工况测试结果
3.3 制动工况测试
将滚动测试台的速度保持在60 km/h，制动级位调整到100%，模拟列车制动工况。测试结果如图5所示。
图5 制动工况测试结果
制动工况时，测试结果显示随着牵引电机回馈功率逐步增加，超级电容功率也同步增加，几乎全部回收制动能量。超级电容从电压805 V充电到845 V。制动过程中，控制整流器DC-DC处于关断状态，无功率输出。
研究了混合动力动车组的动力系统基本架构和组成，并详细介绍了柴油机动力包和超级电容混合动力系统工作的基本原理和能量管理策略，最终用试验证明了控制方法的有效性，使内燃动力动车组在具有较好的动力特性的基础上，实现节能、减排的环保目标，为混合动力动车组系统的开发和研究提供了良好的借鉴。
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