一种东风4B型内燃机车改造蓄电式机车方案的研究

一种东风4B型内燃机车改造蓄电式机车方案的研究

刘卓

中车大连机车车辆有限公司

前言：

目前路外铁路机车根据用途不同，主要存量为内燃机车和电力机车。由于路外工况主要以矿场、大型钢厂、码头等为主，运输距离短、载重量较小，多以内燃机车为主。路外内燃机车的柴油机功率主要集中在2000KW左右。柴油机驱动主、辅发电机为牵引和机车辅助系统供电。内燃机车需要配置高功率柴油发动机，柴油发动机的耗油较高、噪声大、维护成本高、尾气排放污染严重。

随着国家“碳达峰、碳中和”政策的实施，路外机车排放要求将进一步提高，各企业对新购机车排放要求不断提高，开始逐步寻求采购新能源机车。新能源机车将成为路外机车主力机型。蓄电式机车作为新能源机车的一种，完全由动力电池提供动力，能做到零排放。随着储能器件的发展，动力电池包能量密度提高、性能稳定、寿命相对较长、安全性良好，具备了装车、替换原有柴油发动机的条件。蓄电式机车可新造或在传统内燃机车平台上进行改造。在相同工况下，蓄电式机车运行费用较内燃机车可降低80%、维护费用降低60%，且噪音小、无尾气排放，可在低速应用场景完全替代内燃机车。蓄电式机车还可以配置远程数据监测和控制系统。远程数据监测系统可在线对机车进行数据管理和维护，智能控制系统可实现远程遥控驾驶、自动充电、制动能量回收等，更符合国家节能减排要求，具有智能、节能、灵活、高效等特点，在路外工况下应用前景广泛。

一、东风4B型内燃机车概述

东风4B型内燃机车适用于干线调车编组及工矿、港口小运转作业。机车标称功率为1880kw，柴油机最大运用功率为2200kw，轴式为Co—Co,轴重23t，机车最大运用速度为80km/h，持续速度为17.8.km/h，持续牵引力达341.7kN。

东风4B型柴油机车是干线客货运用六轴柴油机车，采用双司机室、内走廊式全钢焊接的框架式侧墙承载结构车体，两端设有同等功能的司机室，可双向操纵机车。机车从前到后分别为第一司机室、电气室、动力室、冷却室、第二司机室。电气室内设有电气控制柜、主硅整流柜、励磁整流柜和电阻制动柜等电气设备，以及启动变速箱、启动发电机、前转向架牵引电动机通风机等设备。动力室位于车体中部，安装了一套柴油发电机组，以及空气滤清器、燃油输送泵、燃油滤清器、机油热交换器、膨胀水箱、预热锅炉等辅助设备;为了方便对动力装置的检修，机车除了在司机室设有侧门外，在动力室的两侧也设有侧门。冷却室设有油水系统冷却装置，包括V型结构的铜散热器、静液压马达驱动的轴流式冷却风扇、静液压变速箱、后转向架牵引电动机通风机、两台空气压缩机等。车体底部两台转向架之间吊装着燃油箱、蓄电池组和两个总风缸。装车功率1990kw，最高运行速度分别为120公里/小时、100公里/小时有效负载4000吨。

二、东风4B型内燃机车主要改造内容

1、机车车体采用原东风4B型内燃机车车体按照机车大修标准改造，改造后依次分为前司机室、电器电池室、空压机室、后司机室；

2、采用原东风4B型内燃机车转向架并按照大修标准维修；

3、拆除原电气室内电器柜及机车各种电器设备；

4、拆除机械间所有设备及燃油箱；

5、拆除原动力室柴油机发电机组、膨胀水箱、机油热交换器、机油滤清器、启动机油泵电机组、燃油泵电机组及各种管路；

6、拆除冷却室散热器组、等设备；

7、拆除辅助室内、空气压缩机组；

8、转向架安装6台350KW高效永磁同步变频大扭矩同轴牵引电机；

9、电气室安装1800kW.h磷酸铁锂动力电池组一套、安装6台牵引电机驱动器、1台DC/AC220V逆变电源、1台DC/AC380V逆变电源、1台DC/DC/27.5V电源、1台DC/DC/110V电源；

10、前后司机室内安装操纵台（司机操纵台面板全新设计）2个、可调节座椅2个、前添乘座椅两个、空调2台（车载空调）或220V电加热器两台；

11、操纵台安装速度表、智能直流电能表、机车信息显示屏、监控显示屏、司机控制器、JZ-7制动阀、多功能电源插座、喇叭及灯光开关等设备；

12、安装机车监控系统一套，包含前摄像头1个、后摄像头1个、前后司机室摄像头各1个、电器电池间摄像头1个；

13、保留制动室JZ-7空气制动及管路系统一套。

三、整车布局及设备安装

改造后的纯电动机车，设计有制动室、司机室、电器室、空压机室。制动室不装饰直接喷涂隔热漆外、空压机室、电器室、司机室内墙壁及顶板、活动顶棚全部采用隔音隔热棉+带孔板装饰,制动室主要安装有JZ-7制动机各阀及空气管路系统，司机室主要安装有操纵台，电器室主要安装有动力电池组、电机驱动器等电器设备、空压机室主要安装有空气压缩机、空气干燥机及空气管路设备，总风缸位置不变。

1、司机室

司机室主要安装有操纵台1个（原操作台构架不变，更换面板便于安装操控元器件）、司机座椅2把、空调1台，顶部安装2个遥控风扇，司机室设计符合人机工程学原理，司机座椅的其高度、前后位置均可以调节。

司机室操纵台主要布置总风缸压力表、制动缸压力表、列车管压力表、机车速度表、智能直流电能表、机车信息显示屏、监控显示屏、司机控制器、制动缓解手柄、急停按钮，喇叭按钮、钥匙开关、琴键开关、多功能电源插座，司机室内配备干粉灭火器2个，顶部安装1个自动烟雾报警器。

总风缸压力表、制动缸压力表、列车管压力表主要用于显示制动管路系统空气压力，智能直流电能表能够显示电池组输出直流电流、电压、功率等内容，机车信息显示屏主要显示机车速度、电池信息、驱动器信息、遥控器信息、电机信息、故障信息等内容。

司机控制器采用符合国家铁路标准的最新款无极调速、机械联锁的司机控制器，司机控制器手柄档位及联锁关系：

（1）换向手柄采用钥匙手柄方式，只有在零位时才能插入或取出；

（2）换向手柄中间位为零位，向前为前进位，向后为后退位；

（3）换向手柄与主手柄机械联锁，当换向手柄离开零位时，主手柄才能操作；

（4）主手柄为无极调速，中间位为零位，向前是加速位，向后是电制动位。

司机室操纵台上设计有2组琴键开关，主要用于灯光控制。在操纵台上方和下方各设计1个喇叭开关，方便司机操作。操纵台中间安装视频监控显示屏，主要用于监控机车前进方向、后退方向、电器室、空压机室、司机室等信息，并可通过远程监控软件实时查看监控影像。

2、电器室

根据电器室空间安装1套1800kW.h动力电池组、6台400KW牵引电机驱动器、1台17.5KW DC/AC220V逆变电源、1台30KW DC/AC380V逆变电源、1台6KW DC/DC27.5V逆变电源、配置1套AC220V转DC110V电源给整车110V用电设备供电(功率根据整车需求选配)，动力电池组采用磷酸铁锂电池，动力电池组内部安装有散热风扇（或液冷管道）和加热膜，能够满足高、低温工作需求，电池箱内部安装有自动检测及灭火装置，具体电池灭火系统以最终电池方案为准。

2.1电池管理系统

电池管理系统（BMS）采用本公司自主研发具有高压采集、电流采集、单体电压采集，温度采集、继电器控制、SOC估算、SOH计算、充电管理、电池均衡控制、绝缘监测、故障诊断、故障分级、故障处理、非正常工作状态报警、故障存储、工作模式管理、整车及高压安全等，并且BMS与整车控制系统相互通信，通过机车信息显示屏能够显示电池的所有信息。

2.2电池组防火系统

电池箱灭火系统2018年由公安部消防产品合格评定中心对电动客车锂离子动力电池箱做了要求，对其他车辆国家未做强制要求，因考虑本次电池安装容量较大，为安全考虑，建议电池内部安装灭火系统。

对灭火系统具体要求如下

1、电池组应配置具有热失控预警、火灾报警、及火灾抑制功能的电池箱灭火装置。

2、电池箱灭火装置的火灾探测器应在检查到电池热失控和火灾情况时，以声或光报警信号向驾驶员报警。

3、当发生热失控时，电池箱灭火装置应确保热事故信号发生后5min内没有发生电池箱外部起火或者爆炸。

4、电池箱灭火装置的安装不应影响电池箱箱体防护等级要求。

2.3电池组散热与保温

为保证电池在合适温度环境下工作，电池箱内部散热方式设计风冷或液冷，以最终电池方案为准。电器室顶部安装有3个排风扇，侧面安装有进气百叶窗，方便夏天室内散热，排风扇启动和停止由温控开关自动控制，当检测到电器室温度达到40℃时，排风扇自动启动，当检测到温度低于35℃时，排风扇停止工作。（启动和停止温度可通过温控开关面板设置）

冬季考虑环境最冷可达-30℃，-20℃可持续1-2个月，需对电池做好保温，首先安装电池组的房间侧墙及顶棚安装有防火隔热保温棉，电池箱外部缠绕加热带或对液冷电池可对防冻液进行加热循环，电池箱具体加热方法以电池最终方案为准。

3、空压机室

空压机室保留原2个总风缸、拆除2台旧NPT5型空气压缩机（排气量2.4m³/min），新安装2台15KW螺杆空压机（排气量2.5m³/min）、1台1.45KW空气冷凝过滤器（处理空气量5.5m³/min）,具体参数如下。

空压机的启动和停止在操纵台控制，可以1台空压机运行，也可以2台空压机同时运行。

压缩空气由螺杆空压机→总风缸→一级过滤→干燥机→二级过滤→三级过滤→空气制动机各阀。

由于冬季低温需对空气管路系统做好保温，对空气管路包裹防火保温隔热棉。

4、其他部分

照明系统全部采24VDC的LED灯，共有大灯4个（前后各2个）、红白标志灯4组（前后各2组）、车底灯4个（两侧各2个）、电器室灯4个（左右各2个）、主端司机室灯1个、副端司机室灯1个、空压机室灯1个；

车体外部安装有栏杆、爬梯、清障器、勾头等设施，在前后端安装声光报警器及安全警示灯。外观根据客户要求颜色喷涂。

四、转向架及牵引传动系统

机车转向架采用内燃机车原转向架，重新维修，并在每个转向架的轮对上安装3台永磁同步牵引电机。

2、转向架轴式采用轴式为Co—Co，轮径采用1050mm，轨距1435mm；

3、转向架安装有基础制动，基础制动采用踏面制动，设置闸瓦（或闸片）间隙调节装置

和停放制动装置，并有手动缓解功能；

4、转向架上安装油压减震器、扫石器；

5、电机直接安装在机车轮对车轴上，电机旋转时直接带动轮对驱动机车运行，无需齿轮传动，结构简单、传动效率高。

永磁同步牵引系统的优异特性

1、高节能率

根据第三方测评，平均节能率超过30%；

2、机构简单、易维护

电机采用直接驱动的方式，没有齿轮，后期维护方便；

3、低噪声

永磁电机的平均噪声值比异步电机低，低速段更为明显，其中0～1900r/min平均降低5.5dB(A)；

4、重量轻

永磁电机比异步电机轻110kg。

永磁系统的特点优势

1、永磁系统具有高功率密度、高效率、高功率因数和低噪音等显著优势；

2、应用于轨道交通车辆牵引，可以提高牵引功率、节能降耗、减少维护量、降低全寿命周期成本；

3、永磁牵引系统噪声较异步系统低，可以提高驾驶的舒适度。

五、制动系统

纯电动机车设置有电制动（能量回馈制动+电阻制动）、空气制动和手制动，以电制动为主空气制动为辅，电制动时优先向电池组充电，当电制动力不足时采用空气制动辅助刹车，手制动主要为机车长时间停车时防溜车使用。

空气制动系统保留原机车JZ-7空气制动机系统。风源系统由2台螺杆空压机、1台冷冻式空气干燥机、3个空气过滤器、2个总风缸、及空气管路组成，JZ-7空气制动机系统由制动阀（大闸、小闸）、作用阀、中继阀、分配阀等制动管路组成。

机车制动时，优先操纵司机控制器主手柄至电制动位（制动力随向后拉动手柄行程增加而增大），此时机车以电制动为主，当电制动力不足时，操纵制动缓解手柄至制动位，此时空气制动能辅助机车平稳停车。

JZ-7空气制动系统在制动缸与总风缸安装有压力传感器，JZ-7空气制动机大小闸与司机控制器具有联锁功能，能很好的保护电机，避免了司机因采取了空气制动未缓解就运行而损坏电机，特别适合纯电动机车空气制动，能够很好配合纯电动机车电制动。

当司机将司机控制器的主手柄拉到电制动位时，电机转子的转动频率超过电机的电源频率，电机工作于发电状态，将机械能转化为电能给电池组充电，此时整车控制器根据电池组的SOC值以及调速手柄拉到制动位开度大小来控制能量回馈的大小，进而控制制动力的大小，电制动时优先向电池组充电，当电池组充满时回馈的电能将通过制动电阻以热量的形式释放掉，达到停车的目的。

六、充电桩

配置4台150KW充电桩。

动力电池组设计成4枪充电结构，机车充电时4台充电桩4把枪同时给电池充电，充电桩总输出功率600KW。

充电时间：电池电量从20%-100%充电时间=1800*0.8/600≈2.4小时。

冬天低于-15℃，枪线非常硬，柔软度相当的差，需要考虑现场插枪和放枪的便捷性，低温环境下，充电桩屏幕反应迟钝。冬天使用需对充电桩进行保温处理，具体方法将充电桩安装于室内或在充电桩外侧搭建保温棚，保证充电桩处于-15℃以上。

七、效果

1、最后根据轻重载试验情况做好分析报告，以便加以改进提高设备运用质量和稳定性，完善各系统装置，确保满足用户需求。

2、本机车采用本地和遥控两种操作模式，本地操作时速40km/h、最高50km/h，遥控操作时速10km/h,额定负载4000吨（5‰坡道），一次充电可行驶100-120公里，锂离子动力电池单次直流快充电2.5小时；

3、本机车自带远程实时数据传输功能，包括机车运行参数、电池参数、电机参数、故障报警查询、安全监控、行车监控等功能；

4、本机车由于采用电阻制动和空气制动相结合，考虑用户生产环境、机车整备充电位置不同，充电电源功率配置由用户根据实际需要自行定位及配线，要求充电电源不低于800KVA。

5、环保排放：每台车每年减排二氧化碳等有毒有害气体700余吨。

6、节能：单台机车年节约费用约250万元，4台机车每年节约费用1000万元。

7、整车性能：单车综合性能无论从机车启动加速、安全制动距离、故障率、生产效率、节能环保效果等方面均超过新购内燃机车，是内燃机车新旧动能转换更新换代产品，符合国家碳达峰碳中和节能环保政策。