地鐵列車蓄電池牽引系統的研究

周浩 彭斯雅 袁士瑞

摘 要：本文根據地鐵對蓄電池牽引的需求，對蓄電池牽引系統的方案進行研究，具體包括牽引系統電路設計、仿真分析及容量計算等，通過實踐驗證，證明了設計方案的可靠。

關鍵詞：蓄電池牽引；主電路及控制電路；仿真計算；容量計算

中圖分類號：U260.13 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0043-02

0 引言

蓄電池牽引技術，即列車可通過激活司機室的蓄電池牽引功能，使牽引系統由車載蓄電池供電，讓列車在無高壓輸入的情況下自行牽引，以實現車輛移庫轉運功能。

這項技術的主要作用包括：①列車在正線運行時，當接觸軌供電故障，列車可以蓄電池牽引模式行駛至最近車站，進而疏散乘客，提高列車正線運營的可靠性。②在車輛段內更方便地進行調車、洗車作業，節省人力成本、減少公鐵兩用車的數量。③固定維修場內可不設三軌，保障維修人員安全。

1 蓄電池牽引系統的主電路及控制電路設計

出于成本和裝車空間的考慮，蓄電池牽引用蓄電池，由車載DC110V蓄電池供電。如圖1所示，兩端拖車車下各配置1組蓄電池，1組有2個蓄電池箱。作為車輛在無高壓情況下的供電電源。緊急情況下，2組蓄電池同時放電，以滿足此時整列車負載的用電需求。在B車牽引逆變器與蓄電池之間設置電動轉換開關箱（KMB箱），以實現正常DC1500V牽引和DC110V蓄電池牽引之間的供電隔離及轉換。

如圖2所示，在一般工作情況下，列車通過三軌受流，此時HSCB閉合，KMB斷開，DC1500V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓可調的三相交流電，向異步牽引電動機供電，齒輪傳動裝置將牽引電機的牽引/制動力矩傳遞給列車輪對，驅動列車運行；在蓄電池牽引的工況下，HSCB斷開，1500V高壓供電與蓄電池供電相對隔離，DCU發出轉換開關吸合指令，1Q31繼電器得電，其對應的常開觸點閉合。DC110V控制電經1Q31、1Q01，使電動轉換開關KMB1、KMB2得電，蓄電池向牽引逆變器供電，驅動列車運行。

2 蓄電池牽引特性及仿真計算

2.1 蓄電池牽引特性計算

列車編組：*A+B+C*C+B+A*（4動2拖）

車輛自重：B/C：Mmo=38t A：Mtco=36t

列車總重：（AW0）：M0=224t/列

列車換算質量：

Mg=Mmo×4×0.1+（Mtco×2）×0.05=18.8t

（AW0）：M0g=M0+Mg=242.8t

其中，M車的慣性系數為10%；Tc車的慣性系數為5%。

列車啟動阻力計算：按49×10-3kN/t計算

（AW0）：Wq0=M0×49=224×49×10-3= 10.98kN

最大坡度上的附加阻力Wi（kN）（i=5‰）：

（AW0）：Wi0=M0×5‰×9.81=11.0kN

設定蓄電池牽引模式下牽引力為65kN，

啟動加速度=（[牽引力]-[起動阻力]-[5‰坡道阻力]）/質量

=（65-10.98-11）/（242.6）=0.18m/s2>0.0833m/s2

計算結果表明，蓄電池牽引模式下列車牽引力可以使列車在5‰上坡起動。

2.2 蓄電池牽引能耗仿真

在AW0載荷、5‰坡道上，運行1000m的相關特性曲線如圖3和圖4所示。

在蓄電池牽引模式下，主電路最大輸入電流約為477A，在最大坡道5‰運行的等效平均電流為182A，而牽引系統電路的額定電流值為450A以上，因此牽引系統可以滿足蓄電池牽引功能需求。

通過仿真計算，可知在AW0載荷、5‰坡道上，運行1000m的工況下，列車的運行時間為913s，旅行速度為3.99Km/h，主電路等效輸入電流為182A（峰值477A），電機等效電流為92.56A，總能耗為8.12kwH。

3 蓄電池選型

目前，地鐵列車用蓄電池主要包括膠體鉛酸蓄電池及纖維結構電極式鎳鎘電池，如果按電解液分，前者屬于酸性電池，后者屬于堿性電池。本文以HOPPECKE公司的FNC鎳鎘電池與鉛酸電池的做對比，綜合考慮蓄電池的性能、成本、維護量，選用了HOPPECKE公司的FNC 160 HR2+電池，其基本參數如表1所示。

4 蓄電池容量計算

根據要求，車輛需滿足以蓄電池牽引模式在5‰坡道運行1000m，根據此要求可計算蓄電池容量如下：

（1）在應急牽引工況下，整列車牽引主電路直流側能耗約為8.12kWh，運行時間為913s，峰值電流為477A（放電時間4s），列車的負載是：8.12*1000/（913/60/60）=32018W，半列車的負載是16009W。

（2）蓄電池組的放電終止電壓為：1.07×84=90V。

（3）放電電流為：I=P/V=16009/（（100.8+90）/2）=167.8A。

（4）列車需要消耗的蓄電池的容量為：C2=（913/60/60）*167.8=42.56Ah。

（5）蓄電池充電效率系數為0.9，蓄電池老化系數為0.9，溫度大電流放電合并系數為0.65，則應急牽引下每組蓄電池容量應為：C=C2/（0.9*0.9*0.65）=80.7Ah。

（6）緊急負載，放電時間913s，列車需要消耗的蓄電池的容量為：C3=913/60/60*122.73=31.13Ah。

（7）緊急負載每組蓄電池容量應為：C=C3/（0.9*0.9* 0.888）=43.27Ah。

（8）應急牽引下蓄電池的容量應為應急牽引所需容量與緊急負載容量之和應急牽引下蓄電池的容量：80.7+43.27 =124Ah。

考慮到一定裕量，本項目最終選擇160Ah的蓄電池，單節電池標稱電壓為1.2V，整組電池總數量為84節。

5 試驗

經試驗驗證列車以速度3km/h在平時軌道上運行300m時，蓄電池電壓保持在100V以上；在5‰坡道可運行1000m以上，達到預期設計目的。

6 結語

蓄電池牽引技術在地鐵列車上有很好的應用前景，不僅可以提高正線接觸軌故障情況下的應急處理效率，還能減少公鐵兩用車的數量，同時也大力的地節省了人力成本，具有較大的實用意義。通過在武漢7項目上的成功應用，也證實了本方案的有效性。

參考文獻

[1] 鄧小東，陶波，楊帆.蓄電池牽引功能在成都地鐵既有電客車上的應用研究[J].鐵道機車車輛，2018，38（04）：114-115+126.

[2] 陳豐宇，譚本旭.上海軌道交通蓄電池電力工程車牽引性能參數探討[J].電力機車與城軌車輛，2013，36（05）：61-63.

[3] 鄧文豪.北京地鐵16號線蓄電池牽引方案分析[J].現代城市軌道交通，2016（6）：20-23，共4頁.