混合動力動車組需求分析及關鍵技術研究

摘 要：混合動力動車組突破傳統的內燃動力動車組和電動動力動車組模式，采用混合動力的模式，是一種新型的動車組產品，在我國支線鐵路等重點區域有著廣闊的應用前景，本文結合我國混合動力動車組的市場需求分析，提出混合動力動車組的概念，重點分析混合動力動車組需要解決的關鍵技術；對我國譜系化動車組技術發展方向具有重要的指導意義。

關鍵詞：混合動力動車組；混合動力；關鍵技術

1 引言

混合動力動車組是一種滿足市域中短距離鐵路運輸需要而提出的新型動車組，對于彌補當前鐵路運輸的不足，充分發揮鐵路運輸節能、環保、高效等特點具有非常重要的意義。

2 混合動力動車組需求分析

2.1 混合動力動車組可實現電氣化與非電氣化鐵路間跨線運行，具有大密度、小運量、靈活編組等特點，有廣闊市場前景

截止2012年底，我國電氣化鐵路占全國鐵路線路的53%；根據《中長期鐵路網規劃》，預計2020年，電氣化鐵路將占全國鐵路線路的60%，非電氣化鐵路仍將長期占有很大比例，例如我國東北地區一直存在電氣化線路與非電氣化線路共存的現狀（如圖1所示）。此外，由于我國幅員遼闊，東西、南北跨度大，而主要城市人口密度大，軌道交通的發展主要針對兩種出行人群的需求，即中長距離的較大跨度出行需求和短距離的城市內部出行需求。而我國人口的頻繁流動尤其是節假日人口的大規模遷移，也帶來客流的巨大反差。

當前的鐵路列車具有僅適用單線模式、運量大、密度較小等特點，面臨上述問題，無法給出合適的解決方法。如何實現電氣化與非電氣化鐵路之間跨線運行，解決中短跨度間的城鎮化市域小運量運輸和客流反差問題，仍是一個亟待解決的問題。

混合動力動車組可以實現跨線運行，運量較小，但可根據客流變化需求進行靈活編組，提高運輸效率，縮短旅行時間，對于彌補當前鐵路運輸的不足，充分發揮鐵路運輸節能、環保、高效等特點具有非常重要的意義，具有廣闊的市場前景。

2.2 混合動力動車組技術完全自主創新，對打破國外相關核心技術壟斷，開拓新技術領域具有重要意義

近年來，我國的軌道交通取得了令人矚目的成績。通過不斷的引進、消化、吸收，我國已經具備了生產和制造多種動車組的能力，諸多重要部件也逐漸實現了國產化。然而，對于動車組中最關鍵的牽引系統、網絡系統、制動系統尚未完全掌握核心技術；在軌道交通大發展的需求下，通過企業、高校、研究院所的科研攻關，我國在軌道交通核心技術上已經取得突破，積累了非常寶貴的技術經驗，為獨立開展混合動力動車組研制奠定了堅實基礎。

混合動力動車組采用多種動力模式，其關鍵核心技術與其他軌道交通模式具有共性和特殊性，研制具有完全自主知識產權的混合動力動車組，重點攻克牽引、動力電池組、網絡、制動系統等關鍵核心技術，既開拓了一個全新的前沿技術領域，創造了動車組新的技術體系，又對原有動車組技術體系提供支撐，打破了國外對相關核心技術壟斷。

2.3 混合動力動車組具有節能、應急救援等優點，為綠色、經濟出行提供了一種全新的運輸模式

隨著國家大力倡導節能降耗理念，綠色、節能、環保的軌道客車將擁有廣闊的市場。無接觸網時可通過動力電池組吸收利用制動能量，實現節能、環保，與《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中“高速軌道交通系統、低能耗與新能源汽車”優先主題的規劃相吻合。還可實現在電氣化線路故障時自救和救援其它動車組，也可以作為移動電源進行供電。

3 混合動力動車組關鍵技術研究

3.1 混合動力動車組系統集成技術研究

混合動力動車組系統集成技術是確保整車性能的重要因素，主要技術難點是系統集成和系統匹配，包括電力供電與蓄電池供電的牽引系統集成、電力供電和油電混合動力的牽引系統集成、動車組的能量管理、動力包和蓄電池混合動力的系統集成、列車牽引系統與制動系統的集成、實現列車功能的網絡系統與其它各子系統間的接口關系、控制邏輯的集成等。

3.2 混合動力動車組牽引系統技術研究

混合動力動車組包含2套相對獨立又相互關聯的動力系統，分別為EEMU和DDMU。

對于EEMU混合動力動車組動力系統，如圖2所示，在無接觸網條件下，牽引系統采用動力電池供電，此時牽引變流器停止工作，動力電池通過DC/DC控制器連接在牽引變流器的中間直流環節上，為動車組提供能量，通過牽引逆變器驅動牽引電機，動力電池組采用能量密度較高的磷酸鐵鋰電池。

對于DEMU混合動力動車組動力系統，如圖3所示，在無接觸網條件下，牽引系統采用內燃動力包和動力蓄電池混合供電方案，

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（上接第19頁）

車頂高壓系統及主變壓器停止工作，牽引系統采用柴油機帶動發電機（動力包）供電，整流到中間直流環節為牽引逆變器提供電源從而驅動牽引電機。DEMU同時配有動力蓄電池組，制動時能夠吸收電制動能量，牽引時將吸收的電能釋放出來，實現真正意義的能量回收再利用。

3.3 混合動力動車組動力電池組及充放電技術研究

動力電池的關鍵技術包括：電池建模及在線參數辨識技術、電池SOC估算方法的優化、電池SOH的評估體系、充放電功率預測與控制、電池的一致性評價體系及均衡策略、電池系統的多簇協調控制；電池系統的加熱、保溫和散熱方法，電池模組和電池系統的結構設計方式，開發與之匹配的電池模組；電池本體、高壓系統、控制系統、連接技術等方面的安全性分析和控制系統設計

3.4 混合動力動車組網絡控制技術研究

網絡控制系統關鍵技術包括：針對混合動力動車組技術特點的結構、硬件系統和軟件系統設計。結構方面的網絡負載率、帶寬占用率及優化算法，硬件方面的元器件選型、布局，軟件方面的整車控制邏輯與診斷等關鍵技術的仿真試驗、功能驗證、安全性評估和特定故障工況復現。

混合動力動車組網絡控制、監測與診斷系統采用的TCN列車通信網絡和WTB列車總線，構成列車級、MVB多功能總線構成車輛級和設備級三層結構。混合動力動車組采用3輛車固定編組，可采用相同的三列動車組聯掛后進行重聯運行，網絡控制系統拓撲圖見圖4。

3.5 混合動力動車組制動系統技術研究

制動系統的關鍵技術包括：研究適用于混合動力動車組制動頻繁、減速度大、負荷變化大等特點的大功率盤形制動技術、優化的制動控制技術、防滑控制技術、完善的故障診斷技術和安全保障技術，開發出滿足上述要求的大功率盤形制動裝置、制動控制裝置、防滑控制裝置和故障診斷系統。

混合動力動車組制動系統以既有產品技術平臺為基礎，采用電空直通制動系統，基于故障導向安全原則，采用模塊化、簡統化設計，制動控制系統圖見圖5。

4 小結

我國幅員遼闊，呈現不同地域、不同氣候、不平衡經濟等多種狀況，隨著我國經濟的高速發展，國民素質和生活追求質量等提高，對高速動車組的個性化、多樣化需求增大；混合動力動車組是適應我國鐵路現狀需求的新型產品，與國內現有動車組相比具有跨線運行的能力，混合動力動車組關鍵技術研究為研究成熟的動車組產品提供了技術保證；預計未來十年內將需要數百列的混合動力動車組，因此具有良好的推廣應用價值和產業化前景。

作者簡介：尹華 （1982—），男，內蒙古赤峰市，工程師。