東方紅5型新0411號混合動力機車運用效果分析

薛 超,朱 兵,鄧伯勇

(中車資陽機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心, 四川 資陽 641301)

2019年,為大力推廣混合動力技術(shù),中車資陽機車有限公司立項開展液力傳動機車的混合動力改造技術(shù)研究及東方紅5型0411號機車改造研制,計劃裝車電池電量滿足半日公司內(nèi)調(diào)車作業(yè)需求。2020 年7月,東方紅5型 0411號液力傳動機車的混合動力機車(簡稱新0411號機車)改造完成,由常用功率為100 kW的柴油發(fā)電機組和210 kW·h電量的磷酸鐵鋰動力電池分別或同時給中間回路供電,主傳動及輔助傳動從中間回路取電,三相異步交流電機通過中間齒輪箱以及車軸齒輪箱驅(qū)動輪對實現(xiàn)機車走行。

為了分析液力傳動內(nèi)燃機車改造為混合動力機車的運用效果,評估既有液力傳動機車改造為混合動力機車的技術(shù)應(yīng)用是否成功,本文以新0411號機車的作業(yè)工況為基礎(chǔ),對其電池冷卻、電池使用壽命和機車節(jié)油情況等方面進(jìn)行分析研究。

1 作業(yè)工況

對新0411號機車進(jìn)行為期一個月作業(yè)工況寫實,主要包括作業(yè)鉤次、作業(yè)里程、牽引質(zhì)量。新0411號機車共作業(yè)了25 d,700鉤次,平均每天運行里程10 198 m,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 新0411號機車作業(yè)工況數(shù)據(jù)

新0411號機車設(shè)計輸入數(shù)據(jù)見表2。

表2 新0411號機車設(shè)計輸入數(shù)據(jù)

對比表1和表2發(fā)現(xiàn),新0411號機車單鉤最大牽引質(zhì)量小于設(shè)計輸入質(zhì)量,為設(shè)計輸入質(zhì)量的50%;單鉤作業(yè)平均運行里程也小于設(shè)計輸入單鉤平均運行里程,約為原輸入設(shè)計單鉤平均運行里程的50%。

2 能耗分析

鑒于新0411號機車的作業(yè)工況寫實數(shù)據(jù)小于改造時設(shè)計輸入數(shù)據(jù),理論上,新0411號機車裝車電量能夠滿足目前公司內(nèi)半日調(diào)車作業(yè)需求。

為了驗證該結(jié)論,下文從理論計算和實際運用數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行分析。

2.1 能耗理論計算

機車單鉤計算牽引能耗:

WJ=FS

(1)

式中:WJ為單鉤計算牽引能耗,J;F為牽引力,N;S為移動的距離,m。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息,計算單鉤列車牽引力F:

(2)

單鉤機車總能耗:

(3)

式中:WD為單鉤機車總能耗,kW·h;η為新0411機車效率,取0.75。

機車半日計算總能耗:

(4)

式中:W為機車半日計算總能耗,kW·h;n為半日所有鉤次數(shù),鉤。

經(jīng)計算可得,新0411號機車一個月中半日最大計算能耗為26 kW·h,說明新0411號機車裝車電量能滿足目前公司半日調(diào)車作業(yè)需求。

2.2 實際能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對新0411號機車一個月微機記錄能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,機車半日平均能耗為21 kW·h,半日實際最大能耗為40 kW·h,具體數(shù)據(jù)見表3。由表可知,新0411號機車裝車電量能夠滿足目前公司內(nèi)半日作業(yè)需求。

表3 能耗數(shù)據(jù) 單位:kW·h

3 電池冷卻效果分析

動力電池溫度過高會降低其壽命甚至引發(fā)事故,溫度過低會影響其使用性能,所以對動力電池溫度進(jìn)行分析十分必要。

根據(jù)新0411號機車動力電池溫度控制要求可知,機車正常運行時整個動力電池所有單體在同一時刻的最大溫差應(yīng)小于8 ℃,具體見表4。

表4 新0411號機車動力電池正常溫度相關(guān)規(guī)定 單位:℃

通過對新0411號機車動力電池溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析可以看出,動力電池溫度分布在23～33 ℃,同一時刻最大溫差為4 ℃,具體數(shù)據(jù)如圖1所示。從圖1可知,在目前的作業(yè)工況下,新0411號機車動力電池溫度在規(guī)定范圍內(nèi),電池冷卻效果良好。

圖1 新0411機車動力電池一個月溫度變化

4 動力電池壽命評估

動力電池壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩種。循環(huán)壽命指動力電池容量降到某一規(guī)定值前,能反復(fù)充放電的次數(shù)[1];日歷壽命指電池在一定擱置條件下性能衰減至某個程度所用的時間[2-3]。本文依據(jù)磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命,結(jié)合新0411號機車作業(yè)和寫實數(shù)據(jù)對動力電池循環(huán)壽命進(jìn)行評估,然后再通過電池日歷壽命定義對電池的使用壽命進(jìn)行評估。

新0411號機車動力電池SOC一個月累積增減量變化,如圖2所示。從圖2可知,一個月內(nèi)SOC累積增加528%,SOC累積減少500%,即全充放電循環(huán)次數(shù)約5次,按動力電池2 000次循環(huán)壽命[4-5]計算,新0411號機車動力電池使用壽命可達(dá)33 a,而新0411號機車動力電池的日歷壽命為10 a,因此新0411號機車動力電池的使用壽命為10 a。

圖2 SOC一個月內(nèi)累積增減量

5 節(jié)油效果分析

混合動力機車節(jié)油主要體現(xiàn)在以下3方面:第一,機車待命時,柴油機停機,動力電池工作,節(jié)省柴油機惰轉(zhuǎn)油耗;第二,當(dāng)動力電池SOC下降到一定值,啟動柴油機使其始終在燃油經(jīng)濟區(qū)工作并為動力電池充電,降低其燃油消耗;第三,機車制動時,制動能量回收給電池充電[6]。

對于第一方面,根據(jù)新0411號機車擋位使用情況(見圖3),機車常用擋位集中在0、1、2、3擋位,惰轉(zhuǎn)(0擋位)時間最長,占總運行時間的61.39%;4～7擋位基本不使用,僅在偶爾提高機車速度情況下使用。

圖3 擋位使用頻率

對于第二方面,由于新0411號機車無法統(tǒng)計柴油機在每個擋位下的具體工作時間,因此無法對新0411號機車在該方面的節(jié)油效果進(jìn)行評估。

對于第三方面,新0411號機車工況:平均速度為7 km/h,最大坡度約為4‰。機車運行速度低且線路坡道小,制動能量回收可忽略不計。

故本文僅對機車惰轉(zhuǎn)時節(jié)油情況進(jìn)行分析。

5.1 惰轉(zhuǎn)耗電量分析

惰轉(zhuǎn)耗電量可由下式計算:

(5)

式中:Q0為0擋位惰轉(zhuǎn)耗電量,kW·h;Q為所有擋位耗電量,kW·h;T0為0擋位放電總時間,h;T為所有擋位放電總時間,h。

由圖2可知,新0411號機車單月SOC下降500%,換算成電量為1 050 kW·h,所有擋位放電總時間和0擋位放電總時間數(shù)據(jù)見表5。

表5 放電時間統(tǒng)計 單位:h

通過式(5)計算,得新0411號機車單月惰轉(zhuǎn)耗電量為570 kW·h。

5.2 動力電池充放電倍率統(tǒng)計分析

新0411號機車常用0～3擋位,對應(yīng)放電倍率如圖4所示。從圖中可以得知,動力電池充放電倍率隨擋位增加而增加,0～3擋位電池的放電倍率范圍為0.02C～0.42C,其中C為電池本身容量,A·h/MA·h。

圖4 常用0～3擋位充放電倍率

5.3 節(jié)油率分析

新0411號機車惰轉(zhuǎn)工況下節(jié)油率w計算公式如下:

(6)

式中:L2為原東方紅5型0411機車惰轉(zhuǎn)需要油耗,L;L1為新0411號機車惰轉(zhuǎn)需要油耗,L。其中,原東方紅5型0411機車柴油機惰轉(zhuǎn)需要油耗L2為:

L2=?·T0

(7)

式中:?為原東方紅5型0411機車柴油機惰轉(zhuǎn)油耗率,L/h,?取值17.3 L/h[7]。經(jīng)計算可得L2為553.6 L。

新0411機車惰轉(zhuǎn)需要油耗L1計算公式如下:

L1=Q0/(η1η2ξ)

(8)

式中:η1為動力電池充電效率,取值0.97;η2為動力電池放電倍率,取值0.95;ξ為1 L燃油可發(fā)電量,取值3.5 kW·h/L。結(jié)合式(5),可得新0411號機車惰轉(zhuǎn)需要油耗為176.7 L。

綜合式(6)～(8),可得新0411號機車惰轉(zhuǎn)工況下節(jié)油率為68%。

6 結(jié)束語

本文對東方紅5型液力傳動內(nèi)燃機車改造為混合動力機車運用效果進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,改造后的東方紅5型新0411號混合動力機車相對原液力傳動內(nèi)燃機車可節(jié)油68%,且其動力電池冷卻性能良好,使用壽命可達(dá)10 a,驗證了將液力傳動內(nèi)燃機車改造為混合動力機車的技術(shù)是可行且成功的,機車各項性能達(dá)到要求且節(jié)油效果明顯,為今后其他型式液力傳動內(nèi)燃機車再造為混合動力機車提供了數(shù)據(jù)參考和依據(jù)。