CJ5D 型 混合动力动车组低温性能研究

荀玉涛 邢海英 李占一 王雁飞

中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心 吉林 长春 130062

摘 要：CJ5D型混合动力动车组是国内首次在动车组上应用内燃动力包技术的高寒动车组，针对高寒区域动车组运营需求，重点研究了动车组整车以及牵引系统内燃动力包的低温性能，并通过试验室部件试验和正线整车型式试验对其低温性能进行了试验验证，试验结果表明CJ5D型混合动力动车组可以满足高寒动车组技术要求。同时，在此基础上分析了CJ5D型混合动力动车组在国内的发展前景以及需要解决的问题。

关键词：混合动力动车组；内燃动力包；低温；试验；前景

1 引言

地球温室化、大气污染及能源危机等已成为世界难题，绿色环保的生产和生活方式对轨道交通车辆的能源利用在节能、降耗和环保等方面提出了更高的要求。我国幅员辽阔，电气化铁路和非电气化铁路将长期共存，需要有一种能实现跨线运输的轨道交通车辆；经济的快速发展，局部经济的活跃要求有一种能满足市域之间运输需要的、实现干线铁路和支线铁路之间运输要求的、具有大密度、小运量、灵活编组特点的轨道交通车辆。

2014年，中车长客股份公司与中国铁路总公司签订了课题合同《机车车辆前瞻性技术研究—混合动力动车组关键技术方案研究》(合同号：2014J011-C)，在CRH3A型动车组技术平台基础上研发了CJ5D型混合动力动车组。由于内燃动力包技术首次在国内动车组上应用，且CJ5D型混合动力动车组为高寒动车组，因此，对整车以及牵引系统内燃动力包的低温性能研究显得尤为重要。

2 CJ5D混合动力动车组简介

CJ5D混合动力动车组采用三辆编组模式，两动一拖动力配置，全列座席载客量为279人，满员载客量（4人/m²）为473人，轴重17吨，适用环境温度－40℃～＋40℃。该动车组可在电气化和非电气化铁路间跨线运营，在电气化铁路运行时，采用受电弓受流，由AC25kV为动车组提供动力，最高运行速度为160km/h，在非电气化铁路运行时，采用内燃动力包和动力电池组混合动力为动车组提供动力，最高运行速度为120km/h。该动车组列车编组图如图1所示。

图1 CJ5D混合动力动车组编组图

CJ5D混合动力动车组包含2套相对独立又相互关联的动力系统，其中1套动力系统为AC25kV供电系统，另1套动力系统为内燃动力包和动力蓄电池混合供电。

在有接触网的条件下，动车组采用受电弓受流，通过车顶高压检测和主断路器控制，直接从AC25kV接触网得电到主变压器一次侧绕组输入电压，经过主变压器变压，得到牵引变流器可以使用的输入电源，再通过四象限和牵引逆变器的变流驱动牵引电机。

在无接触网条件下，牵引系统采用内燃动力包和动力蓄电池混合供电方案，车顶高压系统及主变压器停止工作，牵引系统采用柴油机带动发电机（动力包）供电，通过4QC整流到中间直流环节为牵引逆变器提供电源从而驱动牵引电机。DEMU同时配有动力蓄电池组，制动时能够吸收电制动能量，牵引时将吸收的电能释放出来，与动力包一起实现混合动力，提升DEMU起动性能，实现真正意义的能量回收再利用。

3 CJ5D混合动力动车组低温性能研究

通过动车组技术引进、消化吸收及再创新，中车长客股份公司已拥有CRH5G动车组、CRH380BG动车组等多个成熟的高寒动车组技术平台，经过十年来的哈大线、兰新线高寒动车组实际运营经验积累，已经完全掌握了高寒动车组系统集成、牵引、制动、转向架、网络等关键技术。CJ5D混合动力动车组以成熟的CRH动车组为技术平台，因此，仅需重点研究内燃动力包及整车系统集成低温性能。

3.1内燃动力包低温起动性能

3.1.1 内燃动力包

CJ5D混合动力动车组内燃动力包采用电传动方式，卧式柴油机与交流发电机组合，有利于电力、内燃、蓄电池三种牵引方式间切换，传动方式一致，控制方式易于实现。内燃动力包由柴油机、发电机、冷却系统、安装框架、控制系统组成。

根据牵引功率要求，选取MAN D2876 LUE604型柴油机，额定功率为375kW，额定转速2000r/min。其辅助系统包括：进排气系统、燃油系统、机油系统、冷却液系统、启动系统和控制系统。柴油机启动由超级电容供电，体积小、重量轻，带火焰预热系统，易于低温启动。采用永磁交流发电机，额定功率为345kW，额定电压AC1160V，额定转速2000r/min。采用铝合金壳体，水冷方式。与普通交流发电机相比，体积小、重量轻，传动高。

为研究内燃动力包的低温起动性能，委托铁道部质检中心对内燃动力包样机进行了低温起动性能试验，包括-25℃和-40℃两种工况条件下的起动性能试验。

3.1.2 -25℃低温起动试验

将内燃动力包超级电容充满，断开动力包供电电源，将环境温度降至-25℃±3℃，接通动力包电源，在火焰预热准备完毕后，起动动力包，记录环境温度、起动时间、起动电机电流、超级电容电压等参数。试验波形图如图2所示。

3.1.3 -40℃低温起动试验

环境温度-40℃条件下，采取燃油、水套、静压油等预热措施后，起动动力包。记录环境温度、预热时间、起动时间、起动电机电流、超级电容电压等参数，以及燃油粗滤加热器、燃油预热循环泵、水套预热泵、静压油加热器的工作状态。试验波形图如图3所示。

图2 -25℃低温起动试验波形图 图3 -25℃低温起动试验波形图

3.2整车低温性能

2017年1月11日和1月12日，在哈尔滨铁路局伊图里河站、伊图里河至加格达奇区段，CJ5D混合动力动车组开展了冬季低温运行试验。

3.2.1动力包低温性能试验

2017年1月11日进行动力包低温性能试验。蓄电池充满电，动力包停机，将动车组所有的蓄电池负载断开，搁置在伊图里河站场自然降温。 动车组静置降温时环境温度为-28℃。动车组自然降温 14h，柴油机水温为-21℃。 20:33通过辅助电源给燃油和动力包预热，环境温度为-36℃。当水温预热至-6℃时，柴油机起动。启动后，柴油机和动车组其他设备工作正常。柴油机预热曲线见图4，动力包起动电流曲线见图 5。

图4 柴油机预热曲线图 图5 动力包起动电流曲线图

3.2.2 动力包保温性能试验 2017年1月11日进行试验。 试验时，柴油机转速 1700r/min 静置打温,当柴油机水温升至 45℃，动力包停止工作进行保温试验。保温试验从 7:24 开始，如图 6所示，柴油机水温缓慢下降， 11:04 柴油机水温达到 5℃后，起动动力包，保温试验结束，试验共计 3h40min，环境温度从-38℃缓慢升至-24℃。动力包启动后，动车组工作正常，如图7所示为起动时的柴油机转速和辅助功率变化曲线。

图6 动力包保温图 图7 动力包保温后起动曲线图 3.2.3 低温运行试验 2017年1月12日，环境温度-39°，CJ5D型动车组从伊图里河站出发，前往加格达奇，全程运行212km，中途停车 37min20s，运行过程中动车组工作正常,各项低温运行指标均满足要求。

4 混合动力动车组的发展前景

我国铁路具有不同区域、不同路网和不同旅客群对不同类型动车组的技术、服役性能和运营模式提出差别巨大的要求，需要不同的个性化、系列化动车组技术与之适应；

截止2012年底，我国电气化铁路占全国铁路线路的53%；根据《中长期铁路网规划》，预计2020年，电气化铁路将占全国铁路线路的60%，非电气化铁路仍将长期占有很大比例，例如我国东北地区一直存在电气化线路与非电气化线路共存的现状。

随着社会经济的发展，我国居民的消费理念和结构发生了深刻的变化，混合动力动车组的跨线运行，节约旅客换乘时间，作为电气化铁路贯穿的城市和周边支线非电气化铁路包围的城市之间的纽带，提高全国动车组覆盖率，加快城市化进程，推动区域产业结构的优化调整，从而极大地促进经济社会和谐发展。

通过用户走访，哈尔滨、呼和浩特、昆明、北京等铁路局均提出跨线运行的混合动力动车组的潜在需求，其中哈局和呼局已经将混合动力动车组的需求提到日程上来。此外，还提出：

(1)当动车组高压系统发生故障或接触网故障时，能否实现自救援，维持运行到下一站或者返回库内，而无需机车或他车救援；

(2)在没有接触网的区域，只能使用调车机车进行牵车，动车组能否脱离接触网在一定距离内运行；

上述需求为CJ5D混合动力技术的推广和应用提供的广阔的市场前景。

5结语

未来一段时期是铁路装备产业发展的重要战略机遇期。随着国民经济的发展，我国着力实施转变经济发展方式战略，推进工业化、城镇化进程，迫切需要大规模的、绿色环保、方便快捷、安全舒适的混合动力交通装备来支撑，未来5～10年混合动力动车组将保持较快发展，催生大量的装备需求.

根据我国铁路发展趋势和特点，针对城市群类型特点、自然环境特点、不同速度等级需要、信号及供电制式特点，需要研制不同类型的铁路装备.目前，国内外尚无成熟的混合动力动车组，混合动力技术仍处于起步阶段。但柴油内燃动力包、动力电池组技术发展已经趋于成熟，使得混合动力动车组发展具备了前提条件。应继续对其关键技术进行研发和完善，从而进一步提高混合动力动车组的经济性、生态性和可靠性，以满足不同用户的需求。

参考文献：

[1] 尹华．混合动力动车组需求分析及关键技术研究．济南：山东工业技术，2014（24）．

[2] 孟玉发,彭长福,王选民．CKD6E5000型混合动力交流传动内燃调车机车的研制．铁道机车车辆，2011,31

作者简介：荀玉涛 ，1976年生，男，高级工程师

通讯地址：吉林省长春市绿园区长客路2001号 长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心总体研发部

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