大功率混合动力机车动力电池混装可行性研究

李昭宇 刘忠伟 董骏骐

摘  要：介绍了多动力电池支路的混合动力机车拓扑结构，介绍动力电池混装的系统搭建方式，并对动力电池混装方案的可行性进行了论述说明，对混装过程中存在的关键问题提出解决策略，证实了动力电池混装的可行性。

关键词：混合动力机车;动力电池混装;电压控制;功率分配

引言

当前，在国家“坚持绿色发展，着力改善生态环境”的精神指导下，具有着低油耗、低排放，低噪声等优势的混合动力机车，将作为传统内燃机车的升级产品，在轨道交通领域，尤其是调车机车领域中扮演越来越重要的地位。

近十年间，动力电池和混合动力技术不断发展，技术应用已经日趋成熟，能够生产制造动力电池的生产商也日益增加。动力电池混装技术若能够实现，意味着一台机车能够装备多个厂家生产的电池，甚至是多种不同材料的电池，这将给用户增加更多的选择空间。本文将论证动力电池混装技术的可行性，并针对混装过程中的关键技术问题提出解决策略。

1  混合动力机车主电路拓扑

混合动力机车主电路的动力电池A与动力电池B为不同种类电池，例如A为钛酸锂电池，B为磷酸铁锂电池，每组动力电池支路设置一台独立动力电池充电机，由其完成动力电池的充放电控制，两组支路共同接入机车母线，实现机车母线的电压及功率控制。本拓扑只需增加动力电池支路数量，便可适用于任意混合动力机车。

2  动力电池混装控制关键点及控制策略

当前主流的动力电池类型主要为钛酸锂电池与磷酸铁锂电池，不同种类的动力电池之间，在电池电量、充放电功率、额定电压等方面差异较大。在相同功率等级下，两种电池的电量与额定电压差异很大。

即使是使用同种类的电池，由不同的生产厂家生产的电池组，由于内部电芯选型及排列方式不同，电压特性也存在着较大差异。因此，如何实现动力电池混装后的母线电压控制，以及如何实现动力电池能量均衡输出，控制多种动力电池SOC均衡，减少柴油机起机充电次数，是动力电池混装控制的关键点。这需要通过外围电路设计与机车控制系统共同配合实现。

2.1  母线电压控制

多支路动力电池并联的混合动力机车，其母线电压控制需由多组动力电池共同实现。在动力电池混装的条件下，多组动力电池之间的电压特性各不相同，这就意味着不能将动力电池电压直接作用于母线之上，否则将会导致电压特性较高的电池持续放电，而电压特性较低的电池无法放电，甚至出现电压高的动力电池持续向电压低的动力电池充电的情况。因此，在电路设计上，为每一组动力电池配备一套独立的三电平控制充电机，电路如图所示：

通过控制IGBT，使其与外围电路组成boost升压电路，可以实现将动力电池电压泵升至所需电压后，再接入直流母线的目的。为保证母线电压的稳定，并保证多组动力电池均能够全部接入母线，需控制充电机将多组电池泵升至相同电压，此电压需高于电压最高的动力电池电压。此时，全部动力电池输出至母线的电压全部由充电机控制，即可实现多组电池共同控制母线电压的目的。

2.2  功率控制

动力电池混装条件下，每组动力电池的容量、功率、放电倍率、温度特性等都可能存在较大差异。为了保证各支路能量分配合理，动力电池SOC在使用过程中保持均衡，就需要对每组动力电池支路的能量分配与管理进行独立控制。

机车微机网络系统中，由中央控制单元负责整车的能量计算与分配。为简化计算说明流程，下面以三组完全不同的动力电池支路为例进行说明，本策略适用于任意多组动力电池支路。本策略目的为通过中央控制单元能量分配，使各组电池按剩余电量分配功率，达到SOC均衡，减少起动柴油机充电次数的目的。具体分配策略如下：

假设当前三组动力电池SOC均未达到可用下限，当前机车所需总功率为PRef，动力电池剩余总电量CS，四组动力电池最大输出功率为P1Max–P3 Max，荷電状态为SOC1–SOC3，动力电池总容量为C1–C3。

首先计算动力电池能否满足当前功率需求，若PRef>P1 Max +P2 Max+P3 Max，则需要起动柴油机，以补充机车能量供给;若PRef≤P1 Max +P2 Max+P3 Max，即动力电池能够提供机车所需全部能量，则可按下述公式进行控制：

以上能量分配策略，能够最大程度上实现不同种类动力电池按剩余容量均衡放电，避免各组间SOC差异过大导致的机车柴油机频繁起动充电。

3  结语

通过每组动力电池支路设置一台独立充电机的电路设计，能够实现对各组动力电池独立精准控制，使得动力电池混装配置成为可能。通过中央控制单元的能量动态分配策略，以及充电机功率、电压等多闭环控制，实现了混装动力电池的组间SOC均衡，减少起机充电次数。该策略适用于任意动力电池混装方式，为未来混合动力机车配置方案增加了更多选择。

参考文献：

[1]刘顺国，王平华，孟玉发，等.HXN6型混合动力调车机车设计及运用[J].机车电传动.2017（6）：37-40.

[2]原志强，武学良，聂敏.多动力源系统在调车机车上的应用.铁道机车车辆.2020（3）：101-104.

[3]李茹华，彭长福，马晓媛，等.大功率混合动力机车动力电池系统组间均衡策略研究.创新与实践.2020（6）：8-10.

作者简介：

李昭宇（1990 - ），男，辽宁大连人，本科，工程师，主要从事机车微机网络系统及机车控制系统的研发设计工作。工作单位：中车大连机车车辆有限公司 机车开发部