城軌地鐵列車應急供電系統設計

摘 要：文章記述了地鐵車輛蓄電池供電系統的特點和問題，并圍繞其特點和問題展開系統設備的選型和設計。文中結合對酸/堿性蓄電池的性能比較進行蓄電池的選型，結合蓄電池的維護保養需求，結合地鐵列車的輕量化設計、可靠性設計，車下設備的防水，防塵等要求詳細論述了蓄電池箱結構設計的諸多要求。

關鍵詞：地鐵；堿性蓄電池；蓄電池箱；輕量化；有限元分析

引言

現代軌道交通因其速度快，運量大，受天氣影響小，高效，環境污染小等特點得到了飛速發展，蓄電池供電系統作為軌道交通車輛中不可或缺的重要設備，也根據不同需求有了多樣化的發展。在城軌地鐵車輛中，由于車輛運營特點的不同，作為列車應急電源的蓄電池供電系統，對輕量化，小型化，長壽命，低維護，充放電性能好等提出了更高要求。

1 主要問題

城軌地鐵車輛與傳統的機車、客車相比，存在如下特點和問題：

（1）全列蓄電池相對集中配置，應急電能配送不均衡。傳統鐵路列車應急電源大多各車獨立，分散配置，地鐵列車通常為固定編組，常采用兩組蓄電池集中供電方式。（2）振動沖擊較大。地鐵運行站間距短，起動停止頻繁，起動加速率、制動減速率較大，且軌道曲線半徑小。（3）充放電電流變化大。三軌或接觸網的直流供電，電壓波動大，供電系統的充電電流沖擊較大，通常有限流措施。（4）應急電源吸收穩壓功能。地鐵列車正常運行時，作為整流電路的濾波裝置，吸收回路上的脈沖、波動，保證直流供電系統的平穩無間斷供電。（5）應急電源負荷大，容量大。在外部供電異常中斷或車輛輔助供電系統故障情況下供給列車應急照明、緊急通風、車載安全設備、廣播、門控系統、通訊系統等緊急用電不低于45分鐘。（6）地鐵列車運用強度大，可靠性要求高，需要盡量縮短檢修保養時間；（7）地鐵列車節能要求輕量化。（8）地鐵列車主要運行在地下，防火性能要求高。

2 解決方案

應急供電系統由蓄電池組、蓄電池箱、電氣控制箱、連接電纜等組成，要使該系統更好的滿足地鐵列車的上述運行特點并解決存在的問題，須在各組件的設計、選型，以及安裝接線等方面綜合權衡。

2.1 蓄電池選型

現在工業常用大容量蓄電池主要有兩種，一種是使用稀硫酸作電解液的鉛酸蓄電池，另一種是使用堿性水溶液為電解液的堿性蓄電池，后者的主要代表是燒結式鎳-鎘蓄電池，主要有以下特點：（1）適于高放電率放電。鉛酸蓄電池高倍率放電性能通常<3倍，而鎳鎘蓄電池可達10倍率以上。（2）能承受較大電流，適于急充電。（3）適于低溫放電。鉛酸蓄電池使用環境溫度為-10～+35℃，而鎳鎘蓄電池使用環境溫度從-40～+55℃。（4）使用壽命長。鉛酸蓄電池使用壽命一般4～6年，而鎳鎘蓄電池可到12～15年。（5）小型、輕量。相同容量下相比，鎳鎘蓄電池體積小，重量輕。（6）維護量低，維護成本低。鎳鎘蓄電池補液周期長，且只需補加純水。（7）基于以上特點，在現代城市軌道地鐵車輛中，大多采用堿性蓄電池。

2.2 蓄電池組布置

蓄電池布置要結合蓄電池箱體結構、方便檢修維護等任務考慮，需要綜合權衡如下要求：（1）各蓄電池單體均至少有一側可觀察液面；（2）一次安放/取出的單個或多個蓄電池總重不應超出25kg，保證單人可以完成；（3）電池小車之間的連線要防止小車歸位后擠壓或與其他部件磨損；（4）拉出電池小車的力不大于200N，保證單人可輕松拉出小車；（5）拉出小車后，保證所有蓄電池有足夠的加液、清潔等維護檢修空間。

2.3 蓄電池箱的設計

蓄電池箱主要由箱體、箱門、電池臺車等組成，用于保護固定蓄電池。防護等級一般為IP54以上，同時能與箱體外部大氣呼吸。

2.3.1 箱體的設計

將蓄電池箱與蓄電池電氣控制箱設計為一個整體，具有結構緊湊，重量減輕，占空間小，與車體接口少，安裝方便，布線簡單等優點。同時，箱體與車輛的接口應結合車體的結構一體考慮，以進一步降低箱體自身與車輛局部的重量。

（1）首先，在方案設計階段確定箱體合適的外形及安裝結構。（2）綜合不同全壽命周期和輕量化設計要求確定箱體材料。（3）可行性分析。采用有限元分析校核箱體的機械強度。（4）由于在過充電時，堿性蓄電池電解液中的水會被不斷電解成H2和O2，因此必須在箱體頂部設置通風過濾裝置，保障蓄電池工作時的通風，同時阻止灰塵進入箱體。

2.3.2 箱門的設計

采用下導軌形式的蓄電池箱體，其箱門在打開狀態須承受蓄電池小車重量而不變形，在關閉狀態須有可靠的鎖緊裝置，保證車輛運行振動和沖擊下箱門不松動，脫開。臺車導軌末端須設止擋，防止蓄電池臺車滑出導軌，在箱門不夠高（箱體的高度受車輛設備限界限制），導軌不夠長時，可設計成折疊式導軌伸出箱門，以保證電池臺車能充分拉出蓄電池箱，方便蓄電池的維護檢修。箱門上應有密封膠條保障箱體的密封性能。采用側面導軌時可以進一步降低箱體高度。

2.4 電池臺車

電池臺車由臺車箱體、臺車滑輪、臺車拉手、止動擋塊和電池盒組成，前后橡膠止動塊分別頂住蓄電池箱門和箱體背板，使得電池臺車在箱體內不出現竄動。臺車滑輪應鑲嵌軸承，以使拉動電池臺車輕便靈活。臺車箱體及電池盒內表面應噴涂耐酸堿電解液腐蝕的涂層，也可在臺車內使用耐酸堿的玻璃鋼盒進行防護，同時，在臺車底部設計可方便拆卸的漏液收集盒。

2.5 蓄電池電氣控制箱

蓄電池電氣控制箱容納相關的控制保護元器件，采用焊接或螺栓聯接的方式與蓄電池箱做成一體，箱門應方便拆下，同時應有密封條。電氣元件的布置要整齊、美觀、便于觀察、操作、接線及檢修，同時應考慮電磁兼容性。另外，系統的電纜及所有非金屬件都應有良好的防火性能，并應滿足相關的國際防火標準。

2.6 可維修性分析

最好的設備是免維護，不需要日常保養維修。而對于車輛壽命周期內蓄電池供電系統的日常維修保養工作有：（1）蓄電池加液；（2）蓄電池電極清潔，防止接地；（3）蓄電池電氣箱器件吹掃清潔；（4）蓄電池電氣箱更換受損元器件；（5）更換蓄電池單體；（6）車輛長期停用時定期充電。對于如上維修保養工作，在設計階段采取了前述各方面的應對措施。

2.7 應用情況與發展趨勢

隨著城軌地鐵列車的快速發展，本文所述的設計及技術已在近年的一些地鐵項目上得到了應用，如沈陽二號線地鐵，天津3號線地鐵，北京昌平線等。隨著新材料技術的發展，蓄電池的一些新極板開始得到應用，蓄電池正在進一步小型化、輕量化，同時有更大容量，更高效，需更少的維護。而隨著鎳氫電池、鋰離子電池等新型電池在工業中的應用，也許在不久的將來，城軌地鐵車輛中也將出現這些新型電池，而鋁合金等材料的應用也將使蓄電池箱的重量大大減輕。

3 結束語

開展本項工作之前，學習借鑒過部份國內外機車車輛產品。本文中的蓄電池箱體設計是利用三維設計工具進行的，具體設計流程本文未做敘述，可以參見相關三維模型設計文章。

參考文獻

[1]楊浩.軌道車輛數字化樣機建造初探[J].電力機車與城軌車輛，2008（1）.

[2]可靠性設計手冊[M].北京：航空工業出版社，1999.

[3]關于鐵路車輛用蓄電池和其新發展[Z].古河電池株式會社，2008.