無人駕駛列車蓄電池電壓監測和保護的研究

(1.湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

無人駕駛作為城市軌道交通最重要的發展方向之一，近年逐漸成為各地軌道交通建設首選方案，目前國內在建的無人駕駛地鐵線路超過15條，占新開工建設線路50%以上。相比有人駕駛，無人駕駛從車地機電設備、運營管理到維保均有很大不同。如列車喚醒功能，有人駕駛模式下是由司機發出喚醒命令，無人駕駛則是由OCC遠程喚醒。但若車輛長期停放后，由于蓄電池本身老化或部分設備持續耗電等因素，可能使得無人駕駛列車車載蓄電池饋電，從而導致列車無法被遠程喚醒。

為了解決該問題，本文主要對有人駕駛的低壓喚醒回路進行研究，并根據無人駕駛的場景需求，提出針對性的解決方案。

1 蓄電池監測傳統方案

1.1 有人駕駛蓄電池監測傳統方案

地鐵車輛低壓供電的負載一般分永久負載和常規負載。絕大部分設備如牽引控制單元、制動控制單元、蓄電池充電機控制單元、照明等均為常規負載，常規負載需要在列車喚醒以后才能得到供電，而用于控制列車喚醒的回路則為永久負載。

1)永久負載在任何時候(包括休眠狀態)都被接入蓄電池的供電回路中，以保證隨時可以喚醒列車。對于無人駕駛列車，除了喚醒控制回路以外，車載ATC的喚醒模塊也為永久負載。

2)常規負載僅在列車喚醒以后才能得到供電，常規負載受電成功以后才稱為喚醒成功。

同時，為了保護車載蓄電池，避免其饋電影響使用壽命，還設置了蓄電池欠壓保護系統，并被用于常規負載的控制。即常規負載的得電條件除了列車喚醒以外，還需要車載蓄電池電壓正常。目前典型的常規有人駕駛列車的低壓供電回路如圖1所示。

圖1 有人駕駛列車的一種蓄電池供電回路

如圖1所示，其車載蓄電池保護電壓為84 V(84 V為一個典型值，根據蓄電池選型不同可能有細微差別)，即車載蓄電池電壓低于84 V時，欠壓保護繼電器失電，其觸點11&14斷開，則常規負載”接觸器無法得電，其觸點不能閉合，蓄電池輸出的DC110 V無法到達低壓供電母線，常規負載不能得電。

對于一般有人駕駛的車輛休眠以后，在車載蓄電池電壓正常的情況下，此時“欠壓保護”得電，其觸點11&14閉合，司機可操作喚醒開關使得喚醒回路工作，使“列車喚醒”繼電器得電，其觸點43&44閉合，則“常規負載”接觸器得電，其觸點1&2閉合，使得列車常規負載母線得電，常規負載受電成功，完成喚醒過程。

1.2 傳統方案的缺點

正常情況下，無人駕駛列車休眠后，可通過車載信號系統實現遠程控制列車喚醒，無需上車操作。

但若列車停放時間過長，或蓄電池顯著老化導致容量降低等因素，加上休眠期間永久負載的持續消耗，則可能發生車載蓄電池嚴重饋電，以致電壓低于84 V的情況。此時，若仍然采用上述2種方案，將導致休眠的列車無法正常喚醒。也即現有方案存在以下問題。

1)蓄電池有饋電的風險，并影響蓄電池使用壽命。

2)蓄電池饋電以后導致列車無法遠程喚醒，影響列車使用率。

2 無人駕駛新方案的研究

為了解決以上問題，現提出一種對蓄電池電壓進行分級監視和保護的系統。該系統使用2個欠壓保護繼電器對蓄電池電壓進行監控，對應的保護電壓分別為Ua，Ub，且Ua>Ub，具體取值根據蓄電池類型和容量確定。當電壓達低于2種不同的保護電壓時，將分別設置不同的對應措施。

系統電路圖如圖2所示。

圖2 一種電壓分級監視功能的蓄電池供電回路

圖3 低壓監視和ATC喚醒控制回路

增加設置一個低壓保護繼電器，低壓保護繼電器的觸點被車載ATC監控，如圖2和圖3所示。當蓄電池電壓下降到Ua時，此時“欠壓保護”繼電器還未失電，欠壓保護還未起作用，但“低壓保護”繼電器已經失電，其觸點動作并被車載ATC監視到。

車載ATC系統根據預設好的控制邏輯，控制其內部“ATC遠程喚醒”繼電器觸點閉合，使得“列車喚醒”繼電器得電，并喚醒列車，使常規負載工作。此時蓄電池充電機獲得控制電，可以輸出DC110V對蓄電池充電，使得蓄電池電壓回升。

根據蓄電池容量和充電電流等特性，ATC系統可預設充電時間t，當蓄電池電壓恢復正常以后，車載ATC可以控制列車喚醒繼電器失電使列車休眠，也可以等待其他命令。

通過該方案的實施，可以從根本上避免車載蓄電池深度饋電，有效提高蓄電池使用壽命；并且由于任何時候蓄電池電壓不會降低到欠壓保護系統動作，確保了無人駕駛列車在任何時候都能夠投入運用，有效提高了列車的使用率。

3 結語

蓄電池監測和保護的新方案避免了無人駕駛列車在休眠時其車載蓄電池電壓持續下降的問題，從根本上解決了由于欠壓保護動作導致無法喚醒的問題，有效提高了列車使用率，降低了無人駕駛列車的運營成本。同時，該方案也避免了車載蓄電池饋電，有利于蓄電池的保養，解決了饋電導致的蓄電池加速老化的問題。

本方案可以為后續無人駕駛項目車輛電氣設計和信號系統設計提供參考。