内燃机车油改电方式分析及其主回路描述

1. 前言

随着绿色环保、低碳排放政策不断推进，以及 GK1 等车型的内燃机车使用寿命已超过 25 年，部分车辆已面临报废，内燃机车改成电传动机车（油改电）已成为近几年热门的技改项目。

电传动机车主要采用锂电池或超级电容作为整车的动力源，输出给牵引逆变模块的直流环节，通过牵引逆变模块逆变后向交流牵引电机供电，牵引电机驱动机车运转[1]。机车辅助系统从直流环节取电，经辅助变流柜逆变后，给机车辅助系统如生活用电、牵引通风机、空压机等供电，以及给110VDC 或 24VDC 蓄电池充电。

本文结合江苏南钢 GK1C 车型油改电的成功案例，描述当下主流的油改电方式及其主电路原理。

2. 电动、内燃、混动车型优缺点对比

伴随着油改电这一技改热点的兴起，当前除了传统的内燃机车，主要还有纯电传动以及油电混合（柴发与动力电池双动力）两种机车车型，从作业范围、作业方式、经济性、可靠性、环境友好性等5 个方面对这3 种车型进行对比，具体如表1 所示。

3. 纯电车型改造

南京钢铁首批内燃机车已使用 20 年，部分车辆面临报废，利用现有的机车改造成为纯电车既能够节约成本又符合当下绿色低碳高效节能的环保要求。

3.1 改造方式

内燃机车改造为纯电车主要流程分为原有设备的拆除、新设备的安装、各子系统调试以及整车调试交付。

3.2 电气系统配置

江苏南钢现有内燃机车型修改为纯电车型，使用超级电容作为输入电源，牵引系统配置牵引变流柜、牵引电机以及水冷装置，整车配备 4 套牵引装置[2]。另外配备辅助变流柜为空压机、空调、DC24V 控制电等车上负载提供电源，辅助变流柜中需要配备 24V永久低压蓄电池，表 2 为牵引辅助系统改造的配置清单，整车改造的电气系统拓扑如图1 所示。另外需要配备一套蓄电池调车机车车辆控制系统，该控制系统作为工程车辆的“大脑”，采集车辆各子系统的信息，实现对车辆各子系统的监测及控制。

3.3 机车牵引能力配置

南钢油改电车辆要求的载荷能力为可负载1500T 货物运行，空载时运行速度可达到20km/h ，最高运行速度不超过 25km/h ，载货时的最高运行速度 10km/h ，对加速度没有要求。根据载荷计算仿真，改造后机车的牵引制动特性启动牵引力 100kN ， 12km/h 时由恒力矩模式转换至恒功率模式。

与通常的城轨项目有所区别的是，南钢内部用于铁水车运输的机车应用工况更多是低速，频繁启停[3]。所以其牵引制动特性曲线相较于城轨项目初始牵引力较高，但恒力矩和恒功的转折点要早很多， 80km/h 的城轨 36km/h 左右，改造车辆 10 至 15km/h 即可，南钢油改电机车设置的转折点为 12km/h 。牵引电机的启动转矩为 13670Nm ，牵引电机的最大运行功率约 87kW。

3.4 牵引系统配置及产品描述

改造后的纯电机车运行工况多为低速频繁启停，且钢厂内（尤其是夏天）环境温度较高，牵引系统宜使用水冷冷却或者强迫风冷的冷却方式，使用自然风冷易发生牵引变流柜、牵引电机过温故障。

改造后机车的牵引系统配置表如表 2 所示，根据车上设备的安装位置，在电气室和车下分别配置两台冷却装置以用于冷却牵引变流柜和牵引电机。

3.41 牵引变流柜技术参数

南钢机车油改电项目牵引变流柜前端输入为超级电容提供的高压电，输入电压的电压范围匹配超级电容的输入电压为 DC450V-DC650V。

机车配备 2 台牵引变流柜，每台牵引变流柜配置 2 台牵引模块。每台牵引模块额定输出功率 90kW，最大输出功率150kW，牵引模块包括输入过欠压保护，输出过欠压保护，输出过流、过载保护，短路保护，过热保护等故障保护功能。冷却方式为水冷冷却，安装方式车内平装，重量不超过 400kg。

牵引变流柜将超级电容提供的直流电逆变成频率及电压可调的三相交流电，给永磁同步牵引电动机供电，实现牵引电动机的变频变压控制，牵引电动机带动轮对旋转，从而实现机车的运行[4]。在电制动工况下，同步牵引电动机在轮对的拖动下变成发电机，在牵引变流柜的控制下，同步牵引电动机产生的三相交流电通过牵引变流柜反馈到中间直流母线，制动能量用于给超级电容充电和给辅助系统供电。牵引变流柜箱体包含两组牵引变换模块，两组牵引变换模块完全一致，其中任意一模块包含：预充电回路、主功率单元，TCU及散热系统等。另外主功率单元集成了三相逆变桥臂（两电平电压型）、直流母线支撑电容及传感器等，牵引变流柜采用水冷散热。

3.42 冷却装置技术参数

冷却装置用于给牵引变流柜和牵引电机进行冷却，良好的冷却可以使设备工作在较为良好的状态，以确保设备的使用寿命。冷却装置使用乙二醇水溶液作为冷却液，冷却装置选型时需要考虑牵引模块及牵引电机的散热功率。

3.43 牵引电机

该项目牵引电机由整车厂选择，为抱轴电机，电机选型时牵引电机特性曲线需满足3.3 章节描述的牵引特性。

3.5 辅助变流柜产品描述

辅助变流柜是将直流母线电压DC750V转化为 3AC380V/50Hz的交流电、AC220V交流电、DC24V直流电，3AC380V为空调、空气压缩机供电，AC220V给司控台供电，DC24V为低压直流负载供电及给蓄电池充电，单台辅助变流柜的输出容量满足整列车的交流负载以及直流负载需求。

辅助变流柜的输入参数与牵引变流柜一致匹配超级电容的输入电压为DC450V-DC650V，输出包括 50kVA的AC380V、5kW的DC24V以及 1kW的DC110V，冷却方式为强迫风冷，包括输入过欠压保护，输出过欠压保护，输出过流、输出限流，过热保护等故障保护功能。

4. 混动车型改造

4.1 改造方式

内燃机车改造为混动车型主要流程与纯电车型类似，主要步骤分为原有设备的拆除、新设备的安装、各子系统调试以及整车调试交付。

4.2 主回路拓扑

将内燃机车改造为混动车型的方式即在纯电改造方式的基础上增加一台小功率的柴油发电机用于对动力电池进行充电，柴油发电机可工作在效率较高的额定工作点或在动力电池电量满足使用要求的情况下降低工作频次，以达到节能减排、降低成本的目的[5]。

5. 结语

随着油改电技改项目的兴起，当下有GK1、DF4、DF12 等各类车型在进行油改电的技改或者策划。部分改造车辆已在南钢、马钢等钢铁厂投入运用，初期反馈良好。在“碳达峰、碳中和”的大背景下，随着新能源电池技术的不断发展，机车油改电项目将成为未来几年主流的技改项目，技术人员也需要紧跟改造需求，不断优化改造方案，以提供简单可靠、性价比高的油改电方案。

参考文献

[1]王晓鹏,王忠福,韩红彬,等. 内燃机车“油改电”技术研究及应用 [J]. 铁道机车与动车, 2024, (04): 24-28+62 .

[2]林振强. 中力:引领叉车“油改电”变革 探索智能搬运创新发展 [J]. 物流技术与应用, 2023, 28 (11): 66-69.

[3]霆阑. 丰田叉车:油改电解决方案,助力蓝天保卫战 [J]. 中国储运, 2020, (06):92-93.

[4]赵安伟,王圣男,王泽龙,等. 油改电车型涂装调试 [J]. 上海涂料, 2019, 57 (03): 52-54.

[5]赵向明. 汽车吊“油改电”技术的应用 [J]. 铁路采购与物流, 2006, (07): 49-50.