新型牽引技術(shù)在城軌車輛自救應(yīng)用中的研究

李慧娟　車聰聰　孫成慧

[摘 要] 文章介紹蓄電池牽引技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀，根據(jù)列車運(yùn)營(yíng)的需要對(duì)蓄電池牽引技術(shù)參與列車自救進(jìn)行研究，就蓄電池自救技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性做詳細(xì)的說(shuō)明。同時(shí)指出該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施時(shí)會(huì)遇到的問(wèn)題，并對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行探討。經(jīng)論證蓄電池牽引自救技術(shù)具有一定的實(shí)施價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 城軌車輛；蓄電池牽引；逆變器

[作者簡(jiǎn)介] 李慧娟，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111；車聰聰，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111；孫成慧，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程師，山東 青島，266111

[中圖分類號(hào)] U23 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）04-0017-0004

一、前 景

目前，國(guó)內(nèi)外城軌車輛采用蓄電池牽引技術(shù)項(xiàng)目的應(yīng)用環(huán)境多數(shù)為地鐵車輛列車出庫(kù)時(shí)或簡(jiǎn)單調(diào)車時(shí)，而且列車的運(yùn)行距離以及運(yùn)行速度比較低，但該項(xiàng)技術(shù)的引入極大地提高了列車蓄電池的利用率，減少了列車和出庫(kù)前的準(zhǔn)備時(shí)間以及維護(hù)成本，保證了操作人員的安全。隨著該項(xiàng)技術(shù)的成熟應(yīng)用，用戶已經(jīng)不滿足于低速短距離運(yùn)行的工況，而是希望將該項(xiàng)技術(shù)引入到正線自救中來(lái)。以目前國(guó)內(nèi)外城軌車輛為例，一旦隧道或地面的高壓電源因故斷開(kāi)，列車只能等待救援機(jī)車救援至最近的車站清客、回庫(kù)。而一旦此類事故發(fā)生，整條列車線至少一二十列列車同時(shí)救援可能會(huì)因?yàn)樗淼涝O(shè)計(jì)的原因花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，乘客的舒適度以及安全是無(wú)法保障的，極有可能引起不必要的恐慌，造成傷亡。此外，蓄電池自救技術(shù)的應(yīng)用還可以縮短或取消隧道內(nèi)逃生通道，在當(dāng)前土建費(fèi)用占90%的費(fèi)用的城軌項(xiàng)目建設(shè)中，節(jié)省的成本將是一筆不小的數(shù)目。

二、蓄電池牽引技術(shù)在當(dāng)前城軌車輛的應(yīng)用

龐巴迪作為世界上第一個(gè)將蓄電池牽引技術(shù)應(yīng)用在城軌車輛上的牽引供貨商，已成功將該技術(shù)應(yīng)用在多條地鐵項(xiàng)目中：第一個(gè)采用該技術(shù)的項(xiàng)目是瑞典首都斯德哥爾摩市一條線路的地鐵列車，之后龐巴迪牽引商先后將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的北京4號(hào)線、北京大興線以及泰國(guó)曼谷的地鐵項(xiàng)目中。

2009年9月開(kāi)始正式運(yùn)營(yíng)的北京地鐵4號(hào)線，供電電壓DC750V，受電方式為第三軌上部受流，列車設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，基于合同的要求，車輛廠為列車配備了兩組180Ah的蓄電池。該蓄電池組的容量完全能滿足車輛45分鐘應(yīng)急環(huán)境用電量和列車移庫(kù)所用的電量。目前，大興線和北京4號(hào)線蓄電池牽引技術(shù)主要應(yīng)用于車輛段或調(diào)試庫(kù)做移車的用途，列車速度為3 km/h，設(shè)計(jì)理論運(yùn)行距離為50米，而實(shí)際試驗(yàn)下來(lái)，列車以3 km/h的速度運(yùn)行距離能達(dá)到750米左右的距離。

泰國(guó)曼谷的地鐵是世界上第三個(gè)采用蓄電池牽引技術(shù)的地鐵項(xiàng)目。該車采用2組蓄電池并聯(lián)供電的方式，每組蓄電池的容量為180Ah，設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)速為3～5 km/h范圍內(nèi)，該車在空載狀況下，在坡道不超過(guò)5‰的坡道上，運(yùn)行距離為250m。

上海16號(hào)線是西門(mén)子首次將蓄電池牽引技術(shù)引入到國(guó)內(nèi)地鐵領(lǐng)域中的項(xiàng)目。該車為3編組車輛，受電方式為第三軌受電，受電電壓為DC1500V。列車采用蓄電池牽引技術(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)速為3～5 km/h，用于空車條件下的移庫(kù)。

通過(guò)近幾年蓄電池牽引技術(shù)在多個(gè)項(xiàng)目中的應(yīng)用看來(lái)，蓄電池牽引技術(shù)是一種成熟、可靠的技術(shù)，將是未來(lái)城軌車輛必須具備的一種功能。

三、 蓄電池牽引技術(shù)在城軌車輛自救應(yīng)用中的研究

當(dāng)前蓄電池牽引技術(shù)主要用作在列車出庫(kù)或入庫(kù)的斷電區(qū)移車。而列車在正線運(yùn)營(yíng)時(shí)，一旦出現(xiàn)由于其他外部因素導(dǎo)致線路高壓供電中斷的工況時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成乘客的未知恐慌，從而可能會(huì)引發(fā)人員傷亡、車輛受損的后果?；谝陨锨闆r，目前已有車輛采購(gòu)方提出將蓄電池牽引技術(shù)應(yīng)用到列車正線自救的環(huán)境中。

（一） 蓄電池牽引自救模擬環(huán)境

列車的模擬模型、運(yùn)營(yíng)工況如下表1：

（二）蓄電池牽引自救的供電方式

可用于蓄電池牽引供電方式主要有三種方式：

第一種是采用制動(dòng)斬波升壓的方式：將蓄電池DC110V電壓斬波到直流幾百伏的電壓，這樣就保證了電機(jī)在高壓輸入下能輸出更大的轉(zhuǎn)矩，從而帶動(dòng)列車的坡道運(yùn)行。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施必然會(huì)需要一個(gè)額外的斬波控制箱，無(wú)論對(duì)于成本還是車下布置困難程度都是一種考驗(yàn)，而且該項(xiàng)技術(shù)控制復(fù)雜，目前還沒(méi)有成熟的業(yè)績(jī)，不適用于坡道自救的情況。

第二種是直接采用DC110V蓄電池作為動(dòng)力來(lái)源：將蓄電池DC110V不經(jīng)過(guò)任何變換，通過(guò)一個(gè)接觸器連接到牽引系統(tǒng)的輸入端。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)低速運(yùn)行的城軌車輛都是采取此類供電方式。由于列車在30‰坡道AW3的載荷條件下運(yùn)行時(shí)所需要的能量以及蓄電池放電電流都比較大，沒(méi)有合適的蓄電池組能夠滿足；同時(shí)在該種條件下電機(jī)的電壓只有幾十伏，不能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩來(lái)帶動(dòng)列車的運(yùn)行。因此，該方案不能應(yīng)用于坡道自救的工況。

第三種是采用蓄電池組串聯(lián)供電的方式：將兩組容量一樣的蓄電池組采用串聯(lián)供電的方式給列車的牽引系統(tǒng)供電。由于該種方式的牽引系統(tǒng)供電電壓能達(dá)到DC220V，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩足以帶動(dòng)整列車的坡道自救。

（三） 蓄電池牽引自救的技術(shù)說(shuō)明

蓄電池牽引自救的直流供電的原理圖如下圖1：

原理說(shuō)明：

在正常牽引情況下，蓄電池牽引模式開(kāi)關(guān)處于OFF位，DC1500V高壓經(jīng)弓網(wǎng)通過(guò)受電弓傳送到列車高壓箱HV-BOX。列車控制系統(tǒng)控制高速斷路器HSCB吸合，DC1500V高壓電經(jīng)高壓箱傳送給牽引控制箱VVVF經(jīng)IGBT斬波轉(zhuǎn)換成一個(gè)三相變壓變頻電壓（AC1000V左右），并供應(yīng)給牽引電機(jī)。

在蓄電池牽引模式下，蓄電池牽引模式開(kāi)關(guān)處于ON位，TCMS和VVVF接收到司機(jī)發(fā)出的蓄電池牽引模式指令后，首先TCMS控制高速斷路器HSCB斷開(kāi)，其次控制蓄電池組串聯(lián)接觸器BOC3閉合，實(shí)現(xiàn)蓄電池的串聯(lián)輸出，再次將蓄電池牽引斷路器BOC1、BOC2吸合。通過(guò)蓄電池中蓄積的DC220V電源為VVVF供電。VVVF將輸入的DC220V供電電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)三相變壓變頻電壓（AC100V左右），并供給牽引電機(jī)。功率轉(zhuǎn)換使用由微處理器邏輯控制的IGBT完成。

蓄電池組的選?。?/p>

通過(guò)仿真計(jì)算，列車運(yùn)行于表1模擬工況時(shí)，瞬間啟動(dòng)電流在2500A左右，時(shí)間持續(xù)在2S左右。穩(wěn)定后工作電流穩(wěn)定在1800A左右，運(yùn)行600米，耗時(shí)5分33秒，平均運(yùn)行速度為6.5km/h。

通過(guò)模擬計(jì)算，蓄電池牽引自救時(shí)所需要的整車的蓄電池容量為350Ah左右?？紤]到蓄電池的溫度，浮充電等系數(shù)，所需要的蓄電池容量為430Ah，列車6分鐘應(yīng)急工況所需要的蓄電池的容量為42AH，最終選取230Ah的蓄電池組4組作為列車的能源。正常供電時(shí)采用4組蓄電池組并聯(lián)充放電的工作方式；無(wú)高壓電源時(shí)，采用兩并兩串的供電方式，為列車牽引設(shè)備提供DC220V的應(yīng)急電源。由于列車應(yīng)急工作設(shè)備電源均為DC110V，為保證自救過(guò)程中，列車直流設(shè)備的正常工作，采用從兩個(gè)串聯(lián)蓄電池組的中間抽頭的供電方式，作為列車短時(shí)間的應(yīng)急供電用。

四、蓄電池牽引自救技術(shù)存在的問(wèn)題及分析

（一）蓄電池選型

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于鐵路行業(yè)的蓄電池主要有三種：酸性蓄電池、堿性蓄電池以及鋰電池。通過(guò)三種蓄電池各方面的對(duì)比看出：

鉛酸蓄電池由于其放電倍率較低，能量質(zhì)量比小，不能滿足蓄電池大電流放電的性能；鋰電池雖然能量質(zhì)量比大，但由于其自身的溫度特性以及充電條件苛刻，而且存在安全隱患，沒(méi)有在城軌車輛上使用的業(yè)績(jī)，目前也是僅僅處于一個(gè)研究階段。因此不適用于城軌車輛中。

最終選用高倍率放電的堿性鎳鎘蓄電池，高蓄電池組的最大放電倍率為7倍率放電，完全能夠滿足列車啟動(dòng)時(shí)2500A的直流電流和持續(xù)1800A的恒定電流的輸出，而且對(duì)蓄電池壽命本身沒(méi)有影響。

（二）蓄電池發(fā)熱

由于蓄電池牽引自救時(shí)蓄電池的放電電流比較大，較大的放電電流必然會(huì)導(dǎo)致蓄電池的發(fā)熱，進(jìn)一步引起蓄電池內(nèi)阻增加的工況的發(fā)生。因此，選用蓄電池時(shí)必須考慮蓄電池是否具備大電流放電的能力，同時(shí)還要考慮大電流放電對(duì)蓄電池內(nèi)阻的影響。若是內(nèi)阻過(guò)大，蓄電池壓降會(huì)過(guò)大，從而引起輸出電壓降低的情況。

（三）牽引系統(tǒng)的發(fā)熱

蓄電池牽引自救時(shí)，牽引逆變器的輸入電流瞬時(shí)達(dá)到2000A左右，恒定電流在1500A左右，在這種情況下就必須考慮半導(dǎo)體器件的散熱問(wèn)題。在蓄電池牽引自救時(shí)，導(dǎo)致列車不能正常運(yùn)行的原因不是蓄電池本身的性能，大部分出在逆變器的溫度保護(hù)上。

（四）技術(shù)應(yīng)用的利弊

蓄電池牽引自救技術(shù)的引入，列車上的蓄電池組的數(shù)量須由原來(lái)的2組擴(kuò)充至4組，每組由原來(lái)的160Ah變?yōu)?30Ah，重量由原來(lái)的900×2kg變?yōu)楝F(xiàn)在的1.05噸×4，與原來(lái)相比重量增加了2.4噸，可能導(dǎo)致整車重量超標(biāo)。由于蓄電池組數(shù)量變多，對(duì)車下布置也是一個(gè)極大的考驗(yàn)。此外，蓄電池自救技術(shù)的應(yīng)用概率比較低，一年或是數(shù)年都很難用一次，因此列車耗能會(huì)增加。但采用了該技術(shù)，可以在第一時(shí)間躲避險(xiǎn)情，取消了車輛段內(nèi)的高壓供電設(shè)施，以及調(diào)車用的機(jī)車，減少了運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)成本。

五、結(jié) 語(yǔ)

目前，蓄電池牽引技術(shù)在城軌車輛上有著很好的應(yīng)用前景，在車輛段內(nèi)的移車的作用是很大的，同時(shí)節(jié)省了建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)的維護(hù)成本。隨著人們對(duì)安全認(rèn)識(shí)的提高，已經(jīng)不滿足于僅僅在車輛段內(nèi)的應(yīng)用要求，將蓄電池牽引技術(shù)應(yīng)用在車輛自救的工況的渴求會(huì)越來(lái)越大。蓄電池牽引自救技術(shù)能夠迅速地規(guī)避各類突發(fā)情況，將列車運(yùn)行至最近站點(diǎn)，疏散乘客，保證乘客的安全。但該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于蓄電池本身和牽引系統(tǒng)有著很高的要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)必然會(huì)成為城軌車輛項(xiàng)目中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。

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