蓄电池自牵引系统在地铁车辆上的应用及研究论文_亓立敏

摘要：地铁车辆自牵引技术已逐渐成熟并已得到应用，本文介绍了地铁车辆自牵引技术应用的优势及作用，并结合实际运用项目阐述了自牵引系统的拓扑结构和设计原理。同时，通过计算和试验验证，表明该自牵引系统能够满足车辆在段场内和正线使用需求。最后，针对该系统存在的不足提出了提升方向。

关键词：城轨车辆；蓄电池；自牵引系统

引言：地铁车辆在运行过程中遇到接触网或第三轨故障时会导致多列次车辆无法动车，只能原地等待救援，若列车长时间停于隧道区间内易造成乘客恐慌。此外，为保证段场库内检修安全，联合检修库、静调库、吹扫库等在库内一般不设置供电三轨，列车调车作业时需由内燃机车进行推送，该作业方式都存在检修工作量大、作业流程繁琐、效率低、投入成本高等问题[1]。为解决以上问题出现了列车蓄电池自牵引系统，该系统主要功能分为以下两个方面：一是保证列车在接触网或第三轨无电时能够利用车载储能系统运行到最近站台以完成乘客疏散，解决地铁车辆最后一公里的问题[2]；二是替代内燃机车完成段场内的调车作业。

1 车辆自牵引系统的应用现状

蓄电池牵引技术目前在国内外均有研究，例如西门子、庞巴迪、中车株洲电力机车研究所有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司等公司在一些城轨车辆上设计使用了蓄电池自牵引技术[1]。在应用方面，国内多条地铁线路上已有先例，例如北京、天津、武汉、深圳等城市，但因各线路运行需求及线路条件存在差异，在设计思路及方案上各有差异。目前地铁车辆常用的车载储能电源主要有蓄电池及超级电容两种形式，而前者采用较为广泛。

目前轨道车辆上自牵引系统所用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍－镉蓄电池和锂电池3 种，其中中、高倍率镍－镉蓄电池因在紧急牵引情况下对既有蓄电池扩容方案相对简单可靠，所以应用较为广泛。但因其受体积、重量和放电率等因素的限制，一般只用于辅助线路和场内调车使用[3]。而锂电池因体积小、重量轻、使用寿命长、环保性好等优势给地铁车辆大范围内应用锂电池提供了可能。天津地铁某号线即安装一列以钛酸锂电池为车载储能电源的列车自牵引系统。

2 天津某号线蓄电池自牵引系统方案

２.1 设计需求

天津地铁某号线列车采用3动3拖6节编组，额定电压为DC750V，第三轨供电，列车编组型式为Tc+M+M1+T+M+Tc。蓄电池自牵引技术需求如下：

（1）20‰坡度325m（AW3）+平直道500m（AW3）；

（2）24.2‰坡度200m（AW3）+ 3.5‰坡度150m（AW3）+平直道150m

考虑到条件（1）状态比条件（2）困难，因此，整个蓄电池牵引方案按条件（1）设计，条件（1）可满足全线应急牵引需要。

2.2 系统方案

该系统由车载蓄电池和DC/DC电源组成，当发生供电系统故障时，依靠该系统提供的电能可使车辆实现低速自牵引，能量流图如图1中红色虚线所示；在应急牵引完成后，蓄电池SOC较低，供电网恢复供电后需对电池补充能量。能量流图如图1中绿色虚线所示。

图 1 应急牵引及蓄电池充电能量流动图

2.3 主电路设计

通过在T车加装独立的紧急牵引用蓄电池组、电池组为额定电压DC607.2V的钛酸锂电池。在第三轨无网压的紧急情况下，车辆辅助用应急电源由安装于TC车的两组蓄电池组供电，而紧急牵引时使用安装于T车的紧急牵引蓄电池供电。

（1）在车辆正常使用情况下，转换开关在“网压”位，车辆VVVF由第三轨供电；

（2）在车辆需要使用蓄电池紧急牵引的情况下，通过将位于司机室的“紧急牵引模式”开关置于“电池”位，则转换开关转换至“电池”位；

（3）DC/DC变流器在收到紧急牵引模式信号后，将蓄电池电压升压为额定DC750V电压，再通过应急牵引母线给M/M1车的VVVF供电；

（4）在T车设置辅助隔离开关箱MSGS，用以检修时切断MSGS后端设备电源。

2.4 蓄电池设计

按照ＡＷ３工况在设定区间线路进行仿真计算，在坡道运行过程中耗能为11.05ｋＷ·ｈ，平直道运行耗能0.63ｋＷ·ｈ，不仅要考虑电池的总容量，也要考虑电池的放电功率曲线，在不同的温度工况下蓄电池都要满足输出功率特性的要求。牵引蓄电池选用了40Ａ·ｈ的钛酸锂电池组，通过试验证明其满足应用要求。

电池管理系统（BMS）组成由1个电池管理主控单元（BCU）和多个电池管理从板（BMU）组成，其总体框架图如图2所示。BCU作为电池管理系统总成的控制与管理核心单元，负责对BMU检测的数据进行实时处理，匹配硬件完成信号采集、解析和处理，对内网CAN总线进行管理。同时，负责为TCU、显示设备的数据交换与过程控制。BMU负责完成单体电池电压检测、温度检测及电池在线均衡控制功能，同时对相应的电路板电路单元进行硬件故障诊断，接收BCU的命令执行相关的控制指令。

图2 蓄电池系统BMS总体框图

3 自牵引系统方案提升方向

地铁车辆运行时不仅需要列车能够牵引动车，而且制动系统需要足够风源、客室内需提供新风及照明。因此，该系统未考虑为辅助供电系统提供电源也不能满足列车各种工况下的运行条件，因此可在为辅助供电系统提供电源方面进行进一步提升。

4 结论

地铁车辆自牵引技术的应用提高了车辆的运营效率，减小了车辆运营成本。本文分析了自牵引技术的工程化应用特点，并以天津地铁某号线蓄电池自牵引系统为案例，阐述了自牵引系统的拓扑结构和设计原理，同时通过计算和试验验证，表明采用锂电池作为牵引电源能满足车辆在段场内和正线自救的性能要求。

参考文献

[1] 张天军.城市轨道车辆自牵引技术的应用与探讨[J].铁道车辆，2019，57：31-35

[2]曹增明.城轨车辆自牵引技术研究与分析[J].创新与实践，2018，25：73-74

[3] 肖晨，周兴祥，王会发.锂电池作为应急自牵引电源在地铁车辆上的应用[J].机车电传动，2019，5：95-104

论文作者:亓立敏

论文发表刊物:《科学与技术》2019年17期

论文发表时间:2020/1/15

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