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关键词铁路车辆；混合；锂离子；柴油机
Propulsion System of Hybrid Electric-diesel Railcar
Abstract Railway Company and Hitachi have been developing hybrid propulsion system of railroad carriage which assumed lithium ion battery and a diesel engine power source. Through the examination run about of 12 000 km from 2003, we confirmed reduction of fuel consumption of 20% at the maximum, improved performance of driving at the same level as electric train, and reduction of pollutions. In addition, lithium ion battery had economic life more than eight years and confirmed that enough performance was provided in the winter season.
Keywords railroad carriage；hybrid；lithium ion；diesel engine
1 概述
铁路车辆是行驶时阻力极小的高效率运输手段。在电化区间中，进行制动的车辆发电，而要加速的车辆可以利用其电力加速，因此实现了运行过程中无浪费的高效运输。
在非电化区间行驶的气动车，虽具有地面基础设施简洁的优点，但因为是以柴油机作为动力源，因此制动时不能回收能源进行再利用。
日立制作所出于日益增长的降低环境负荷的需求，与东日本旅客铁路株式会社合作开发了引擎发电机与蓄电池组合的混合驱动系统[1][2][3][4]。本驱动系统安装在东日本旅客铁路株式会社的试验车辆[NE（New Energy）Train]上进行了行驶试验，如图1 所示。该系统尽管还保留有发动机，但由于采用了系列混合方式，因此发电机、主电动机、主变换装置的驱动电机可以与变频器电车实现通用化，从而不需要变速机、转换器等机械部分，大量降低了维修成本。
混合驱动系统开发中最重要的装置是蓄电装置。在本系统中将锂离子电池作为蓄电装置[5]。锂离子电池不仅是高密度能源，而且由于蓄电量和端子电压成正比例关系，因此通过电池的并联容易实现大容量化。另外，为了切实掌握蓄电状态，还实现了以最少量的电池容量产生最大限度的节能效果的控制方式。
这里，对和东日本旅客铁路株式会社共同开发的混合铁路车辆的驱动系统进行概要的说明，并对各种蓄电装置的比较结果、锂离子电池的控制方式以及行驶试验结果进行报告。
2 混合驱动系统
2.1 系统构成
图2 为混合驱动系统的构成图。使用引擎驱动发电机产生交流电。交流电被整流器转换成直
流电，然后由变频器转换成VVVF ( Variable VoltageVariable Frequency )交流电来驱动感应电动机。蓄电装置为直流的，接在整流器和变频器之间。蓄电装置的充放电，由整流器和变频器的输出平衡进行控制。
2.2 主要机器的内容
2.2.1 主变换装置
主变换装置以电车使用的变频器装置为基础，新添加了控制引擎和发电机的发电量的变流器控制功能和蓄电装置的能源管理功能。图３显示了混合主变换装置的外观。
2.2.2 蓄电装置
现在，在混合汽车（HVE）中使用的是镍氢电池，据称到2010年前后锂离子电池将成为主流。考虑到将来降低成本，实现蓄电装置轻便、体积小和容量大等特点，本系统蓄电装置采用了锂离子电池。通过将HVE用的电池串并联，将端子电压设置为680 V后，可以使用电车用的变频器。锂离子蓄电池的外观如图7所示。
2.2.3 发电装置
发电装置由减少废气排放的柴油机和感应发电机组合构成。最大发电功率为300 kW，即使蓄电
装置不补充电力，只靠引擎的输出电力也可以确保所规定的行驶性能。
2.3 控制方式
2.3.1 能源管理控制
为了利用蓄电装置的输出电力加速到高速区域，加速开始时必须尽可能地预先充好电。另外，
制动时如果蓄电装置的充电量变少,可以吸收更多的能源，所以在高速行驶时，必须尽可能让充电量
减少。
图4显示了能源管理的构想。在混合驱动系统的能源管理中，理想的管理方式是蓄电池的蓄电能
源和车辆的动能进行相互转换。加速时，蓄电能源转换为动能进行加速，减速时动能转换为蓄电能源进行减速。
如果能达到理想的没有能源损失的程度，蓄电能源和动能的总和应该是一定的，但实际上由于会发生辅机电力（照明、空调等车内电力消耗）、行驶时的行驶阻力、机械损失、电气损失等，能源的总量会慢慢减少。能源管理控制是为了将总能源保持为一定量而对发电量进行控制的控制方式。
2.3.2 系统协调控制
混合驱动系统在图4（a）的能源管理控制的基础上，为了得到必要的行驶性能，对引擎和蓄电装置的输出电力进行控制。
加速时，为了降低在车站内的噪音，只利用蓄电装置的电力加速到20 km/h左右。到中高速区域后，由于蓄电量减少，用引擎的发电电力进行补充。
减速时，停止引擎发电，将马达产生的电力充到蓄电池中。在由于减速产生的发电能源增大时，利用引擎制动消耗电力实施抑速控制，从而防止蓄电池的过充电。
停止时，为了防止在车站内发出噪音及减少燃料费用，停止空转。
2.3.3 蓄电池充放电控制
由于蓄电池的直流电压，会随蓄电量发生相应变化，所以用传统变流器控制方式将整流器和变频器之间的直流电压控制为一定值是不可能的。因此，在混合驱动系统中，新开发了定电力型的变流器控制方式，通过对直流部分的能源收支进行管理，实现了不受直流电压变化影响的蓄电池控制。
2.3.4 抑速制动控制
在长下坡等情况下，蓄电池不能吸收完减速能源时，可以采用机械制动（空气制动）获得减速力。但是，机械制动使用太多会引起制动盘的发热及闸皮的磨损。因此，设计了应用引擎制动进行减速的抑速运行。
抑速运行完全和加速时的程序相反，即利用感应电动机和变频器进行制动，发生的电力以引擎为负荷由变流器和发电机进行消耗。
2.4 能源管理
实际上，由于蓄电池可以在蓄电装置的放电界限和充电界限的范围内使用，所以图4 所示的动能和蓄电能源的关系也可以在一定的范围内进行变动。通过设定范围，在可以降低引擎发电输出的调整频度的同时，可以以最有效的状态驱动引擎。
图5 为在充电界限和放电界限的范围内将运动能源和蓄电能源的关系曲线放大的能源管理控制模式。在图5 中，将充电界限和放电界限之间的区域分为4个区域，在各区域实行能源管理控制。
低速区域的区域Ａ 主要为从车站出发时停止引擎只使用蓄电装置进行加速。区域Ｂ为降低引擎的旋转减少发电量进行加速的区域，有时也可停止引擎。上坡道时，由于需要很多的能源，蓄电状态向区域Ｃ推移。在区域Ｃ，引擎的发电量作为最大的输出电量，控制其返回区域Ｂ。在下坡时，由于能源消耗少，蓄电量向区域Ｄ推移。因此，在空转或者停止时引擎返回区域Ｂ。
制动时，和上述的说明相反。上坡时向区域Ｃ推移，下坡时向区域Ｄ移动，所以为了返回区域Ｂ，由引擎发电或者停止发电。这样，停止时就返回区域Ａ。
3 蓄电池
3.1 蓄电池的选定
在铁路系统领域内，蓄电池主要应用于：
1）以引擎和蓄电池为动力源的混合铁路车辆；
2）在电车中安装蓄电池，在离线制动时，将发电能源临时回收到蓄电池中提高乘坐舒适度的再生连续吸收装置；
3）只依靠电池行驶的电池车及电池铁路；
4）在地面上设置蓄电装置、吸收电车制动时的发电能源的地面用再生电力吸收装置等。
这些装置所要求的蓄电池的性能和蓄电池的适用性如表１所列。
表1列出各蓄电池的输出密度和能源密度之间的关系。电气二重层电容器EDLC（Electric Double
Layer Capacitor）的输出密度很高，但能源密度小。而镍氢电池（Ni-MH）的能源密度比EDLC 高，但输出密度低。锂离子电池的能源密度高，近年已经开发出了和EDLC 同等的高输出电池。
图6显示了各种蓄电池能源密度和输出密度的关系以及应用场合。
3.2 锂离子电池
图7显示混合铁路采用的Hitachi Vehicle Energy,Ltd的锂离子电池的外观。锂离子电池的基本参数如表2所列。电池模块，由48个3.6 V，5.5 A·ｈ的单电池串联在一起，各个单电池中，内置有均衡电压的平衡电路及对电压进行监视、防止过充电、过放电的单元控制器。模块的电压和输出容量为173 V、43 kW，具有950W·h的能量。
4 行驶试验结果
4.1 降低燃料消耗率效果的验证
使用和东日本旅客铁路株式会社共同开发的NE Train，从2003年到2005 年春，进行了12 000 km
的耐久行驶试验和夏季、冬季试验。
2003 年实施了基本行驶试验，根据该试验结果，进行了性能的改进。图7的电池为提高性能时使用的锂离子电池，寿命和输出密度都得到了改善。通过提高电池的性能，实现了提高起动加速度、停止行驶时的引擎空转的目标。另外，将引擎的转速变更为高效率运行的转速。并且，为了提高乘坐的舒适度，将引擎停止时的振动通过发电机制动进行抑制。
铁路车辆的行驶路线是多种多样的。为了找到和混合铁路车辆相应的路线，以12 000 km实际行驶试验结果为基础，进行了仿真试验。
图8 为相当于１L 燃料的行驶距离的仿真结果，对NE Train 和以前的轨道车进行了比较。NE
Train整体的燃料使用率比气动车好。车站间的距离为平坦且短的线区时，燃料削减的效果最好，最大可达到20%的削减效果。
车站间距离短时，制动频度高，可以回收很多能源。因此，混合车的效率就提高了。另外，在坡道区间，下坡时，蓄电池为满充状态，不能完全回收制动能源，上坡时，加速所使用的能源增多，蓄电池呈放电状态，只依靠引擎的发电电力进行行驶，燃料削减效果变小。
4.2 电池在夏季和冬季的运行状况
锂离子电池在高温时，会促进正极物质的析出，对寿命有很大的影响。本产品中，使用冷却风扇防止锂离子电池的温度上升。
另外，低温时，由于电解液的移动度降低，内部电阻会增加。在约-10℃的低温下进行的行驶试验结果显示，行驶一个车站区间后，由于行驶和充放电的发热，电池会变热，恢复到通常的动作状态。
4.3 电池寿命
一般来说，锂离子电池的可充电次数，可以达到数百次，以NE Train的行驶试验结果为基础，进行了锂离子电池的寿命试验。在NE Train中，串并联接续了图7所示的电池模块，使用模块内的单位单元进行了试验。
从实际行驶结果导出了单位单元中流过的电流波形，如图9所示。本波形除了车辆的加减速外，还包括室内的照明及空调所使用的辅机的电力。图中以放电电流为正，充电电流为负。
单位单元流过的最大电流约100 A，在只使用电池加速的车站的开始时为最大。加速、制动时电池的充放电的持续时间约为1分钟，和自动车的数秒相比，多出了一个数量级。
锂离子电池重复进行充放电时，不仅电池的容量会降低，内部电阻也会增加。电池容量的降低会引起制动时发电电力的利用率的降低，内部电阻的增加会使输入和输出的电流受到限制。从而使电池的利用率降低，燃料的消耗率恶化。
图10显示了锂离子电池的容量变化，图11显示了锂子电池内部电阻的变化。容量维持率和电阻
上升率是对于初期的容量及电阻值的比率。图10所示的气动车运行模式在1年内重复43 200次，所以
横轴的1年相当于43 200次。
电池的劣化，不会急速发生，是随着充放电次数的增加慢慢进行的。因此，设计上将可以确保车辆性能的最小的容量（70%）和最大的内部电阻（200%）作为电池的寿命。
图10示出实测数据，实线表示预测线。我们知道容量维持率和充放电循环数的0.5 次方具有很大的关联。因此，使用经过了相当于1年的充放电循环后的容量维持率来计算预测线。电池的容量维持率即使1年以后也基本和预测线一致，可以预测到容量维持率达到70%的时期是９年以后。
内部电阻和循环数的0.5 次方具有很强的关联，和容量维持率一样，根据经过1年后的内部电阻
值计算出了预测线。根据预测线计算的寿命为8年，实测值在预测线的下侧推移，预测可以达到8 年以上的寿命。
装置停止后，可以减少一部分电阻。本试验几乎没有停止，是连续进行的，但在实际运用中，夜间是停止运行的。因此，我们认为实际运用状态中，寿命比本试验结果会更长。这样，虽然有人说锂离子电池的寿命短，但作为铁路车辆的蓄电装置，很明显其寿命是够用的。
5 结语
东日本旅客铁路株式会社和日立制作所开发了由锂离子电池和柴油机构成的混合铁路车辆（NE
Train），进行了12 000 km的行驶试验。通过将制动时的发电能源储蓄在电池中、不必要时可以停止引擎、以及在高效率的转速区域使用引擎等措施，经确认最大可以降低20%的燃料。另外，在车站内，可以停止引擎只依靠电池进行行驶，实现了车站内低噪音化。
关于重要部件锂离子电池，经确认冬季也可以充分发挥性能，具有８年以上的寿命。
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szzunzheng 发表于 2007/9/27 12:13:30
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引用 szzunzheng 2007/9/27 12:13:30 发表于2楼的内容
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