混合动力机车在钢厂的运用及经济性分析

混合动力机车在钢厂的运用及经济性分析

卜晓云 1，滕晖 1 ，刘利海 2 ，

1.宝武马钢股份有限公司，安徽马鞍山 243000 2 .中车资阳机车有限公司， 四川资阳 641300

摘 要：详细介绍了混合动力调车机车在钢厂的应用背景。通过对机车控制逻辑的描述，阐述了混合动力机车的控制特点，并对机车在钢铁厂的应用数据进行分析，通过数据分析指出了混合动力机车的经济性、环保性。

关键词：内燃机车 混合动力 动力电池

0. 引言

普通内燃调车机车用于钢铁厂区调车作业时，柴油机是内燃调车机车唯一的动力来源，由于柴油机转速和输出功率需要不断变化才能满足牵引需求，为了保持机车正常作业，柴油机一直处于工作状态。这样不仅浪费燃油，还加大柴油机磨损，缩短柴油机使用寿命，增加柴油机后期的维护成本。

厂区调车作业的牵引吨位跨度较大，从七百吨到一千五百吨左右不等，一般都是单机作业，需要调车机车具备较大的启动牵引力和持续牵引力；另外，厂区作业速度一般都较低，一般低于15km/h，调车机车需要的牵引功率要远低于干线机车，绝大多数厂内调车的牵引功率不超过700 kW。如果动力电池能提供的牵引功率能达到400 kW左右，就可以在柴油机不工作时满足绝大部分牵引需求，并可消除柴油机惰转工作状态，大幅减少柴油机工作时间，降低柴油机维护成本和燃油消耗，减少柴油机噪声对环境影响时间，改善司机的工作环境。

中车资阳机车有限公司（简称资机公司）研制620kW混合动力机车装有420kWh的动力电池以及200kW的柴油机，该机车在柴油机不工作情况下，仅由动力电池提供动力就可以完成厂内在铁水运输作业。

同时，机车具备利用地面电源充电及柴油机充电两种功能，在2.5 h内可以完成动力电池由SOC30%充电至SOC90%，进一步降低燃油消耗，可以节约成本。

0. 机车控制逻辑

机车正常调车时，机车负荷率低，牵引功率并不高，最高使用功率350kW,资阳公司开发的混合动力调车机车安装的动力电池可用电能达到420 kWh,不启动柴油机就可以满足绝大部分牵引需求,混合动力机车的控制逻辑如下。

2.1司控器手柄在5位及以下控制逻辑

当动力电池的SOC在30%至90%之间时，由动力电池提供牵引动力。当SOC低于30％，微机自动启动柴油机；当SOC 大于85％时，且柴油机运行10分钟后，微机控制柴油机停机。

2.2司机控制器手柄达到6位以上的控制逻辑

当需要的牵引功率受动力电池输出能力限制时，无论SOC高低，当手柄位在6档位以上且持续120s时，微机会自动启动柴油机，并持续工作10 分钟；当司机控制器手柄重新回到6位以下时，柴油发电机要一直工作到SOC达到85％，然后停止柴油机，保持机车的应用经济性。

0. 运用工况

机车的使用工况：每天约10个往返循环工作作业，最大坡道6‰。机车分为一通道和二通道两个作业区间,一通道单次往返10.2km,二通道单次往返10km。当牵引两个空鱼雷罐时，共计560吨。牵引两个重鱼雷罐时，共计1200吨，最高速度均小于10km。根据8月24日的数据进行统计分析，实测单次耗电量如下表1所示。

表1 单次运输耗电量

通过上表，同时结合现场的实际运用情况，一、二通道的运用情况各占50%，因此该钢厂每天的实际用电量约为985度电。

0. 经济性分析

根据用户提供的统计数据，当使用内燃机车进行调车作业时，以机车一年工作350天，柴油7元/升进行计算，改造前每天耗油量为350升，年燃油损耗费用为85.75万元。

根据机车的数据记录仪数据，10月2日至10月8日，运行144小时，共计里程623km。平均每天104km,该段时间为正常满负荷运行阶段，以该段时间进行数据统计，具有一定的代表性，该段时间累计充电4037度电，放电3713度电。根据发电机组的数据参数，柴油机持续功率188kW时的燃油消耗为225g/kWh,即是发电机组每升柴油发电约3.7度，通过数据分析得出油耗如下：车号HD1-001，运行时间144h，动力电池充电量4037kWh，累计耗油量1091L，日均耗油量182L。数据记录仪统计的仅为动力电池充电时的油耗，考虑到充电时辅助系统的消耗以及PWM模块的整流效率。

辅助系统：4037÷188×5.2=112kWh

PWM模块整流效率：(4037+112)÷0.93=4461kWh

加上辅助功率以及整流效率，累计耗油量约1206L,日均耗油量应在201L。

4.1柴油机充电经济性分析

仅采用发电机组对动力电池进行充电，改造后机车年节省油费约36.5万元，节油率约42%。

4.2地面充电经济性分析

钢铁厂每度电电费按0.6元计算。以此计算，纯地面充电方式损耗费用6万元左右，比起改造前年耗费用85.75万元来说，节油率完全在81%以上。进一步加强了机车的经济性。

4.3经济性结论

该混动机车改造前以机车工作350天，柴油费用7元计算，年油费损耗85.75万元，改造后以纯柴充电方式，年油费损耗49.25万元左右，节油率在42%以上，节省燃油费用36.5万元左右。纯以地面充电方式进行动力电池充电，每年费用消耗15.6万元左右，相对节省费用在70万元左右，换算为节油率为81%。

0. 动力电池应用情况

通过机车在钢铁厂在从8月开始的运用考核至今，共计运行三个月。

机车在钢铁厂作业时由于工作量大，一天工作24小时，无空闲时间进行地面充电，由柴油机为动力电池进行充电，机车待命时柴油机停机，机车牵引时由纯电池提供动力，当动力蓄电池容量soc低于30％时，机车自动启动柴油机，柴油机工作在1500 r/min的转速下为动力蓄电池充电；当soc达到85％时，柴油机自动停机。

通过这段时间动力电池的应用电池的SOC以及电流的工作曲线如下：

图2 10月2日电池系统两支路SOC与两支路电流

图3 10月8日电池系统两支路SOC与两支路电流

图4 10月9日电池系统两支路SOC与两支路电流

通过上述三个表可以看出，10月2日，子系统SOC使用区间在70%-90%，SOC差异较小，但电流差异较大，累计容量误差为2.4Ah,10月8日子系统1SOC始终比子系统2SOC差异大，两支路SOC差异明细，且电流差异较大但累积容量差异1Ah,10月9日，子系统SOC使用区间为70%-90%，子系统1充到90%后停止，子系统2单独充电至90，但是子系统2的放电电流太大，导致SOC波动较大，累积容量51Ah,根据动力电池参数情况以及钢铁厂实际使用工况，该动力电池需要每隔一周对动力电池进行校正，这样才能使电池工作在理想状态。

0. 结语

通过上述分析，该混合动力机车在钢铁厂运用有独特的控制逻辑，从燃油经济性来说也更加环保，省油。同时针对钢铁厂动力电池的情况，对动力电池校正提出了适应工况的校正周期，同时相比目前钢铁厂所使用的内燃牵引机车而言，更节能、更可靠，使用维护也更简单方便，可以达到国家所要求的节能减排的目的。

【参考文献】

[1] J.Oostra，韩才元. 混合动力调车机车的技术和运用，国外内燃机车，2010

[2] 王平华，刘顺国，孟玉发. 新型混合动力交流传动地铁调车机车，铁道机车与动车，2015年