大功率混合動(dòng)力機(jī)車動(dòng)力電池混裝可行性研究

李昭宇 劉忠偉 董駿騏

摘 ?要：介紹了多動(dòng)力電池支路的混合動(dòng)力機(jī)車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹動(dòng)力電池混裝的系統(tǒng)搭建方式，并對(duì)動(dòng)力電池混裝方案的可行性進(jìn)行了論述說(shuō)明，對(duì)混裝過(guò)程中存在的關(guān)鍵問(wèn)題提出解決策略，證實(shí)了動(dòng)力電池混裝的可行性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力機(jī)車;動(dòng)力電池混裝;電壓控制;功率分配

引言

當(dāng)前，在國(guó)家“堅(jiān)持綠色發(fā)展，著力改善生態(tài)環(huán)境”的精神指導(dǎo)下，具有著低油耗、低排放，低噪聲等優(yōu)勢(shì)的混合動(dòng)力機(jī)車，將作為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車的升級(jí)產(chǎn)品，在軌道交通領(lǐng)域，尤其是調(diào)車機(jī)車領(lǐng)域中扮演越來(lái)越重要的地位。

近十年間，動(dòng)力電池和混合動(dòng)力技術(shù)不斷發(fā)展，技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，能夠生產(chǎn)制造動(dòng)力電池的生產(chǎn)商也日益增加。動(dòng)力電池混裝技術(shù)若能夠?qū)崿F(xiàn)，意味著一臺(tái)機(jī)車能夠裝備多個(gè)廠家生產(chǎn)的電池，甚至是多種不同材料的電池，這將給用戶增加更多的選擇空間。本文將論證動(dòng)力電池混裝技術(shù)的可行性，并針對(duì)混裝過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提出解決策略。

1 ?混合動(dòng)力機(jī)車主電路拓?fù)?/p>

混合動(dòng)力機(jī)車主電路的動(dòng)力電池A與動(dòng)力電池B為不同種類電池，例如A為鈦酸鋰電池，B為磷酸鐵鋰電池，每組動(dòng)力電池支路設(shè)置一臺(tái)獨(dú)立動(dòng)力電池充電機(jī)，由其完成動(dòng)力電池的充放電控制，兩組支路共同接入機(jī)車母線，實(shí)現(xiàn)機(jī)車母線的電壓及功率控制。本拓?fù)渲恍柙黾觿?dòng)力電池支路數(shù)量，便可適用于任意混合動(dòng)力機(jī)車。

2 ?動(dòng)力電池混裝控制關(guān)鍵點(diǎn)及控制策略

當(dāng)前主流的動(dòng)力電池類型主要為鈦酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池，不同種類的動(dòng)力電池之間，在電池電量、充放電功率、額定電壓等方面差異較大。在相同功率等級(jí)下，兩種電池的電量與額定電壓差異很大。

即使是使用同種類的電池，由不同的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電池組，由于內(nèi)部電芯選型及排列方式不同，電壓特性也存在著較大差異。因此，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池混裝后的母線電壓控制，以及如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池能量均衡輸出，控制多種動(dòng)力電池SOC均衡，減少柴油機(jī)起機(jī)充電次數(shù)，是動(dòng)力電池混裝控制的關(guān)鍵點(diǎn)。這需要通過(guò)外圍電路設(shè)計(jì)與機(jī)車控制系統(tǒng)共同配合實(shí)現(xiàn)。

2.1 ?母線電壓控制

多支路動(dòng)力電池并聯(lián)的混合動(dòng)力機(jī)車，其母線電壓控制需由多組動(dòng)力電池共同實(shí)現(xiàn)。在動(dòng)力電池混裝的條件下，多組動(dòng)力電池之間的電壓特性各不相同，這就意味著不能將動(dòng)力電池電壓直接作用于母線之上，否則將會(huì)導(dǎo)致電壓特性較高的電池持續(xù)放電，而電壓特性較低的電池?zé)o法放電，甚至出現(xiàn)電壓高的動(dòng)力電池持續(xù)向電壓低的動(dòng)力電池充電的情況。因此，在電路設(shè)計(jì)上，為每一組動(dòng)力電池配備一套獨(dú)立的三電平控制充電機(jī)，電路如圖所示：

通過(guò)控制IGBT，使其與外圍電路組成boost升壓電路，可以實(shí)現(xiàn)將動(dòng)力電池電壓泵升至所需電壓后，再接入直流母線的目的。為保證母線電壓的穩(wěn)定，并保證多組動(dòng)力電池均能夠全部接入母線，需控制充電機(jī)將多組電池泵升至相同電壓，此電壓需高于電壓最高的動(dòng)力電池電壓。此時(shí)，全部動(dòng)力電池輸出至母線的電壓全部由充電機(jī)控制，即可實(shí)現(xiàn)多組電池共同控制母線電壓的目的。

2.2 ?功率控制

動(dòng)力電池混裝條件下，每組動(dòng)力電池的容量、功率、放電倍率、溫度特性等都可能存在較大差異。為了保證各支路能量分配合理，動(dòng)力電池SOC在使用過(guò)程中保持均衡，就需要對(duì)每組動(dòng)力電池支路的能量分配與管理進(jìn)行獨(dú)立控制。

機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由中央控制單元負(fù)責(zé)整車的能量計(jì)算與分配。為簡(jiǎn)化計(jì)算說(shuō)明流程，下面以三組完全不同的動(dòng)力電池支路為例進(jìn)行說(shuō)明，本策略適用于任意多組動(dòng)力電池支路。本策略目的為通過(guò)中央控制單元能量分配，使各組電池按剩余電量分配功率，達(dá)到SOC均衡，減少起動(dòng)柴油機(jī)充電次數(shù)的目的。具體分配策略如下：

假設(shè)當(dāng)前三組動(dòng)力電池SOC均未達(dá)到可用下限，當(dāng)前機(jī)車所需總功率為PRef，動(dòng)力電池剩余總電量CS，四組動(dòng)力電池最大輸出功率為P1Max–P3 Max，荷電狀態(tài)為SOC1–SOC3，動(dòng)力電池總?cè)萘繛镃1–C3。

首先計(jì)算動(dòng)力電池能否滿足當(dāng)前功率需求，若PRef>P1 Max +P2 Max+P3 Max，則需要起動(dòng)柴油機(jī)，以補(bǔ)充機(jī)車能量供給;若PRef≤P1 Max +P2 Max+P3 Max，即動(dòng)力電池能夠提供機(jī)車所需全部能量，則可按下述公式進(jìn)行控制：

以上能量分配策略，能夠最大程度上實(shí)現(xiàn)不同種類動(dòng)力電池按剩余容量均衡放電，避免各組間SOC差異過(guò)大導(dǎo)致的機(jī)車柴油機(jī)頻繁起動(dòng)充電。

3 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)每組動(dòng)力電池支路設(shè)置一臺(tái)獨(dú)立充電機(jī)的電路設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各組動(dòng)力電池獨(dú)立精準(zhǔn)控制，使得動(dòng)力電池混裝配置成為可能。通過(guò)中央控制單元的能量動(dòng)態(tài)分配策略，以及充電機(jī)功率、電壓等多閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了混裝動(dòng)力電池的組間SOC均衡，減少起機(jī)充電次數(shù)。該策略適用于任意動(dòng)力電池混裝方式，為未來(lái)混合動(dòng)力機(jī)車配置方案增加了更多選擇。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

李昭宇（1990 - ），男，遼寧大連人，本科，工程師，主要從事機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及機(jī)車控制系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。工作單位：中車大連機(jī)車車輛有限公司 機(jī)車開發(fā)部