东方红5型新0411号混合动力机车运用效果分析.pdf

:./.东方红 型新 号混合动力机车运用效果分析薛 超朱 兵邓伯勇(中车资阳机车有限公司产品研发中心 四川 资阳)摘要:研究了东方红 型新 号混合动力机车能耗、动力电池使用效果以及节油效果分析了液力传动内燃机车改造为混合动力机车的运用效果 研究表明改造后的东方红 型新 号混合动力机车相比原液力传动内燃机车可节油 且其动力电池冷却性能良好使用寿命可达 关键词:混合动力机车运行效果能耗节油中图分类号:文献标识码:文章编号:()年为大力推广混合动力技术中车资阳机车有限公司立项开展液力传动机车的混合动力改造技术研究及东方红 型 号机车改造研制计划装车电池电量满足半日公司内调车作业需求 年 月东方红 型 号液力传动机车的混合动力机车(简称新 号机车)改造完成由常用功率为 的柴油发电机组和 电量的磷酸铁锂动力电池分别或同时给中间回路供电主传动及辅助传动从中间回路取电三相异步交流电机通过中间齿轮箱以及车轴齿轮箱驱动轮对实现机车走行为了分析液力传动内燃机车改造为混合动力机车的运用效果评估既有液力传动机车改造为混合动力机车的技术应用是否成功本文以新 号机车的作业工况为基础对其电池冷却、电池使用寿命和机车节油情况等方面进行分析研究 作业工况对新 号机车进行为期一个月作业工况写实主要包括作业钩次、作业里程、牵引质量 新 号机车共作业了 钩次平均每天运行里程 具体数据见表 新 号机车设计输入数据见表 对比表 和表 发现新 号机车单钩最大牵引质量小于设计输入质量为设计输入质量的单钩作业平均运行里程也小于设计输入单钩平均运行里程约为原输入设计单钩平均运行里程的 表 新 号机车作业工况数据参数取值每日平均作业频次/钩单钩作业平均牵引质量/单钩作业平均运行里程/最大作业频次/(钩/)单钩作业最大牵引质量/单钩作业最大牵引里程/作业总钩次/钩平均每天运行里程/工作天数/表 新 号机车设计输入数据参数取值每日平均作业频次/钩单钩平均牵引质量/单钩平均运行里程/最大作业频次/(钩/)单钩最大牵引质量/单钩最大牵引里程/每月工作天数/能耗分析鉴于新 号机车的作业工况写实数据小于改造时设计输入数据理论上新 号机车装车收稿日期:作者简介:薛超()男助理工程师硕士主要研究方向为柴油机总体设计.年 月 机械设计与制造工程 .第 卷 第 期 .电量能够满足目前公司内半日调车作业需求为了验证该结论下文从理论计算和实际运用数据两方面进行分析.能耗理论计算机车单钩计算牵引能耗:()式中:为单钩计算牵引能耗 为牵引力 为移动的距离根据表 中的数据信息计算单钩列车牵引力:/()()()式中:为列车阻力 为牵引使用系数此处取.为机车质量 为重力加速度/为机车单位基本阻力/为坡度厂内坡道坡度取 为牵引质量 为货车单位基本阻力/单钩机车总能耗:()式中:为单钩机车总能耗 为新 机车效率取.机车半日计算总能耗:()()式中:为机车半日计算总能耗 为半日所有钩次数钩经计算可得新 号机车一个月中半日最大计算能耗为 说明新 号机车装车电量能满足目前公司半日调车作业需求.实际能耗数据统计分析对新 号机车一个月微机记录能耗数据进行统计机车半日平均能耗为 半日实际最大能耗为 具体数据见表 由表可知新 号机车装车电量能够满足目前公司内半日作业需求表 能耗数据单位:参数取值半日平均能耗半日最大耗能半日最低耗能单月总能耗 电池冷却效果分析动力电池温度过高会降低其寿命甚至引发事故温度过低会影响其使用性能所以对动力电池温度进行分析十分必要根据新 号机车动力电池温度控制要求可知机车正常运行时整个动力电池所有单体在同一时刻的最大温差应小于 具体见表 表 新 号机车动力电池正常温度相关规定单位:温度取值允许同一时刻最大温差允许最高温度允许最低温度 通过对新 号机车动力电池温度数据的统计和分析可以看出动力电池温度分布在 同一时刻最大温差为 具体数据如图 所示 从图 可知在目前的作业工况下新 号机车动力电池温度在规定范围内电池冷却效果良好图 新 机车动力电池一个月温度变化 动力电池寿命评估动力电池寿命分为循环寿命和日历寿命两种循环寿命指动力电池容量降到某一规定值前能反复充放电的次数日历寿命指电池在一定搁置条件下性能衰减至某个程度所用的时间 本文依据磷酸铁锂电池的循环寿命结合新 号机车作业和写实数据对动力电池循环寿命进行评估然后再通过电池日历寿命定义对电池的使用寿命进行评估新 号机车动力电池 一个月累积增减量变化如图 所示 从图 可知一个月内 累积增加 累积减少 即全充放电循环次数约 次按动力电池 次循环寿命 计算新 号机车动力电池使用寿命可 年第 期 薛超:东方红 型新 号混合动力机车运用效果分析达 而新 号机车动力电池的日历寿命为 因此新 号机车动力电池的使用寿命为 图 一个月内累积增减量 节油效果分析混合动力机车节油主要体现在以下 方面:第一机车待命时柴油机停机动力电池工作节省柴油机惰转油耗第二当动力电池 下降到一定值启动柴油机使其始终在燃油经济区工作并为动力电池充电降低其燃油消耗第三机车制动时制动能量回收给电池充电对于第一方面根据新 号机车挡位使用情况(见图)机车常用挡位集中在、挡位惰转(挡位)时间最长 占总运行时间的.挡位基本不使用仅在偶尔提高机车速度情况下使用图 挡位使用频率 对于第二方面由于新 号机车无法统计柴油机在每个挡位下的具体工作时间因此无法对新 号机车在该方面的节油效果进行评估对于第三方面新 号机车工况:平均速度为/最大坡度约为 机车运行速度低且线路坡道小制动能量回收可忽略不计故本文仅对机车惰转时节油情况进行分析.惰转耗电量分析惰转耗电量可由下式计算:()式中:为 挡位惰转耗电量 为所有挡位耗电量 为 挡位放电总时间 为所有挡位放电总时间由图 可知新 号机车单月 下降换算成电量为 所有挡位放电总时间和 挡位放电总时间数据见表 表 放电时间统计单位:参数取值所有挡位总放电时间 挡位单月放电总时间 通过式()计算得新 号机车单月惰转耗电量为 .动力电池充放电倍率统计分析新 号机车常用 挡位对应放电倍率如图 所示 从图中可以得知动力电池充放电倍率随挡位增加而增加 挡位电池的放电倍率范围为.其中 为电池本身容量/图 常用 挡位充放电倍率.节油率分析新 号机车惰转工况下节油率 计算公式如下:()式中:为原东方红 型 机车惰转需要油耗 为新 号机车惰转需要油耗 其中原东方红 型 机车柴油机惰转需要油耗为:()式中:为原东方红 型 机车柴油机惰转油耗率/取值./经计算可得 为 年 月 机械设计与制造工程 .第 卷 第 期 .新 机车惰转需要油耗 计算公式如下:/()()式中:为动力电池充电效率取值.为动力电池放电倍率取值.为 燃油可发电量取值./结合式()可得新 号机车惰转需要油耗为.综合式()()可得新 号机车惰转工况下节油率为 结束语本文对东方红 型液力传动内燃机车改造为混合动力机车运用效果进行了研究结果表明改造后的东方红 型新 号混合动力机车相对原液力传动内燃机车可节油 且其动力电池冷却性能良好使用寿命可达 验证了将液力传动内燃机车改造为混合动力机车的技术是可行且成功的机车各项性能达到要求且节油效果明显为今后其他型式液力传动内燃机车再造为混合动力机车提供了数据参考和依据参考文献:李广地吕浩华袁军等.动力锂电池的寿命研究综述.电源技术():.郑文芳付春流张建华等.锂离子电池剩余寿命预测方法研究综述.计算机测量与控制():.李广地吕浩华袁军等.动力锂电池的寿命研究综述.电源技术():.丁鹏飞孙坚徐红伟.三元锂电池加速循环寿命模型的量化研究.电源技术():.周望君陆金辉罗海辉等.汽车 模块功率循环寿命研究.机车电传动():.何国福孟玉发叶顶康等.混合动力机车开发.机车电传动():.罗培.对内燃机车经济性的几点看法.内燃机车():.(.):.:年第 期 薛超:东方红 型新 号混合动力机车运用效果分析