研究CRH1A 型動車組防凍排空控制缺陷解決方案

黃小劍

（廣州動車段潮州動車運用所，廣東 潮州515645）

2017 年12 月，一列CRH1A 型動車組異地過夜停放時因外溫較低且蓄電池電壓不足，出現不斷重復自動激活動車組啟動防凍排空，引起蓄電池虧電，并最終導致動車組無法激活停運的情況，對運行秩序造成極大影響。經分析確認為動車組防凍排空控制邏輯存在缺陷引起，但在短期內不能完全修復該缺陷，同時由于CRH1A 型動車組運用近10年之久，蓄電池普遍存在老化、續航能力不足的問題，在冬天極易發生同類事件，基于此，極有必要對該問題進行深入分析探討，通過各種技術手段制定解決對策，以達到前期預防、快速應急處置、徹底解決問題等目的，消除對運用秩序的影響，提高運營效率。

1 防凍排空控制原理

根據CRH1A 型動車組軟件設計原理，為防止因氣溫及蓄電池電壓持續降低出現不能啟動防凍排空導致對給排水系統造成嚴重損壞的情況，動車組處于斷電未激活狀態時，以下條件同時滿足則會自動激活列車啟動防凍排空（見圖1）:

其中冬季定義為1 月-4 月及9 月-12 月，夏季定義為5 月-8 月。

達到上述條件時，列車診斷系統中央控制單元(TDS CCU，由應急總線供電，處于常得電狀態) 自動控制閉合蓄電池接觸器1 激活動車組（見圖2），蓄電池系統為列車控制管理系統(TCMS)供電，其中央控制單元（TC CCU）啟動并執行防凍排空指令（見圖3）。

圖1 TDS CCU 啟動防凍排空條件

圖2 TDS CCU 指令蓄電池接觸器1 閉合（自動激活列車）

圖3 TC CCU 執行防凍排空指令

2 蓄電池保護電壓工作原理

動車組蓄電池系統保護電壓為95V，即當車組檢測到蓄電池電壓低于95V 后，TCMS 會指令斷開蓄電池接觸器1，車組自動斷電，以避免蓄電池電壓進一步降低；即使電壓下降到95V以下，仍可保持電池斷路器閉合5 分鐘，即此時仍可激活車組；但若電壓低于82V，繼電器和斷路器在此電壓級不工作，將導致斷路器立即打開，車組將無法激活（見圖4）。

3 蓄電池電壓偏低原因

CRH1A 型動車組蓄電池為鎘鎳電池，分布在5 個車廂上，每個車廂的電池箱分為兩個部分，每部分有1 組蓄電池，每組包括串聯的41 個電池單元，共有82 個電池單元，額定電壓為DC 110V，正常容量為200Ah。

在蓄電池充滿電后，車組保持激活狀態且僅由蓄電池供電情況下，車組蓄電池正常可維持2 小時使用時間；在此條件下，分別選取新造CRH1A-A 型動車組、完成五級修的車組、未進行五級修的車組反復進行蓄電池續航時間測試，發現新造CRH1A-A 型動車組及已完成五級修的車組蓄電池續航時間能達到續航要求，未進行五級修的車組均達不到正常續航要求，具體如表1 所示。

備注：測試前確保各車組蓄電池外觀狀態正常、電解液位充足、初始電壓約110V。另外，在關閉全車空調緊急通風逆變器電源后，測試蓄電池續航時間比未關閉前可增加約35%，對預防蓄電池虧電有一定效果。

由此可見，動車組蓄電池續航能力隨著走行公里的增加而顯著降低，未經五級檢修的動車組蓄電池遠不能滿足保持2 小時的續航能力，蓄電池存在較嚴重的老化現象，不能正常保壓，導致動車組蓄電池電壓偏低。

4 防凍排空重復自動啟動原因

通過試驗表明，啟動一次自動防凍排空已足以排掉給排水系統中管路及水箱中的絕大部分水，雖然無法全部排空，但即使受凍也不會對管路及水箱等造成嚴重損壞，同時也不會造成蓄電池電壓過度下降以致虧電，那么，是什么原因造成防凍排空重復自動啟動呢？

通過調查分析，發現CRH1A 型動車組TCMS 軟件在2016年的14.2.3.0 版本升級后，新增加了車組斷電后TDS CCU 自動重啟復位的功能，并將之前已執行的命令清除。即當動車組達到防凍排空的條件被激活后，持續10 分鐘或蓄電池電壓低于95V 時斷電，此時TDS CCU 自動重啟復位，使得其已執行的防凍排空命令被清零，動車組TCMS 系統誤判斷未啟動過防凍排空，因此當防凍排空條件再次滿足時，又再次啟動，以此循環，持續消耗蓄電池電壓，同時蓄電池本身續航能力較差，導致蓄電池電壓不足，虧電嚴重，電壓低于82V 時動車組無法激活。因此，CRH1A 型動車組防凍排空控制邏輯缺陷問題根本原因為CRH1A 型動車組軟件缺陷引起，未考慮到TDS CCU 自動重啟復位與防凍排空控制邏輯之間的關系，忽略了對防凍排空功能進行優化，導致當列車滿足防凍排空條件時，會重復防凍排空直至虧電；同時蓄電池本身老化續航能力差也是造成車組虧電的重要原因。

圖4 蓄電池保護電壓

表1 蓄電池續航能力測試

圖5 斷開連接線53400A 操作

5 過渡預防方案研究

由于CRH1A 型動車組軟件升級周期長達半年以上，短期內不能徹底消除故障隱患，因此必須盡快研究過渡措施加以防范，減少故障發生機率，或在故障發生后快速進行應急處置，降低運用影響。通過上述分析，制定過渡預防方案如下：

5.1 前期介入預防方案

為防止動車組過夜存放時發生防凍排空導致蓄電池虧電問題，研究了前期介入預防方案，防止出現該問題。

5.1.1 避免TCMS 發出閉合蓄電池接觸器1 指令

蓄電池接觸器1 閉合工況：

（1）操作蓄電池開關到“開”位

（2）TCMS 系統給出閉合蓄電池接觸器1 指令

（3）司機鑰匙打到“1”位

其中第2 和第3 種工況均由1、5、8 車TCMS 模塊給出閉合蓄電池接觸器1 指令，可將該模塊連接線53400A 斷開（見圖5，以1、8 車為例），避免TCMS 給出閉合蓄電池接觸器1 指令激活動車組，從而防止防凍排空反復啟動。

若執行此方案，動車組正常激活流程必須改動，不能直接通過主控鑰匙激活車組，須先操作C.K1 柜內的蓄電池開關到“開”位，再將主控鑰匙打到“1”位激活車組。

5.1.2 斷開一組蓄電池箱供電

提前斷開車下1 組蓄電池隔離開關（編號.3.1），線上運用只使用4 組蓄電池。當車輛發生虧電后，將此隔離開關閉合，對車輛應急供電，操作升弓受流。斷開蓄電池隔離開關的車輛每4天更換一次，以避免長期蓄電池自放電造成虧電。

若執行此方案，動車組過夜存放時，只有4 組蓄電池投入使用，總容量下降25%，存在耗電更快的情況。

5.1.3 更改防凍排空啟動條件

通過電腦連接動車組，使用DCUTerm 軟件強制修改TCMS內部參數，將斷電后防凍排空的啟動條件進行更改，如將蓄電池電壓由100.5V 改為80V，將環境溫度由15℃改為0℃，以提高防凍排空的啟動條件。每次車輛斷電后進行一次強制信號。

具體更改指令如下：

Btn0Line0=;修改防凍排空啟動電壓為80V（1V＝100）

Btn0Line1=op GLSCLP10/8000/.

Btn5Line0=;恢復防凍排空啟動電壓至100V

Btn5Line2=op GLSCLP10/10000/.

Btn0Line0=;修改防凍排空啟動溫度為0℃（1℃＝10）

Btn0Line1=op KSDRWP15/0/.

Btn0Line0=;恢復防凍排空啟動溫度至15℃

Btn0Line1=op KSDRWP15/150/.

若執行此方案，每次過夜車組斷電后均須進行重新修改。

5.1.4 斷開網絡系統控制電源

通過斷開動車組網絡系統供電，截斷防凍排空指令傳輸，避免車輛自動激活防凍排空。具體操作為：每次斷電后分別將1、8車的計算機單元網絡系統供電斷路器C.K1.26 斷開，同時斷開1、2、3、6、7、8 車直流柜內應急照明供電斷路器（編號.10 和.11，每個車兩個）。激活動車組前恢復相應操作。

若執行此方案，斷開網絡控制電源斷路器C.K1.26 后車組會自動起應急照明且不會自動熄滅，因此需要同時斷所在單元的應急照明供電斷路器，涉及操作的斷路器較多，且每次斷電后、激活前都要操作一次。

5.1.5 關閉全列車空調緊急通風逆變器電源

由于動車組失活后并斷蓄電池前，動車組會自動啟動空調緊急通風，緊急通風逆變器將蓄電池DC 110V 電壓逆變成AC 220V 電壓給緊急通風機供電，此過程將會消耗大量蓄電池電壓能量，通過前述測試表明，關閉緊急通風逆變器電源對預防蓄電池虧電有一定效果，因此可在動車組結束運營后提前關閉全列車空調緊急通風逆變器電源（QF15）。

若執行此方案，在動車組開始運營前需閉合全列車空調緊急通風逆變器電源以確保空調系統應急通風工作；即使不閉合亦不影響空調正常制冷、加熱。

5.2 應急處置方案

5.2.1 更改電壓保護值

當發生動車組因防凍排空而虧電時，應急使用電腦連接動車組，通過DCUTerm 軟件強制修改蓄電池系統保護電壓，可將原設定值95V 改為83V，保證車組激活后蓄電池接觸器1 不會保護斷開，此時操作升弓按鈕，利用剩余蓄電池電壓升起受電弓受流，車組正常激活。

具體指令修改如下：

Btn0Line0=;修改蓄電池系統保護電壓

Btn0Line1=op GL1BCP13/8300/.

Btn0Line2=op GL1BCP14/8400/.

Btn0Line0=;恢復蓄電池系統保護電壓

Btn0Line1=op GL1BCP13/9500/.

Btn0Line2=op GL1BCP14/9600/.

若執行此方案，需安排專人值守，隨時做好應急準備。

5.2.2 配備CRH1A 型動車組應急升弓裝置

為預防CRH1A 型動車組虧電時受電弓無法正常升起的情況，研究適用于CRH1A 型動車組的便攜式應急升弓裝置，隨車配備或在過夜站點配備，在動車組發生虧電故障時可立即使用應急升弓裝置給輔風缸供電，輔風缸工作并向受電弓供風升起受電弓受流，可以確保應急有備。

6 長期解決方案

6.1 升級CRH1A 型動車TCMS 軟件

通過升級CRH1A 型動車TCMS 軟件，優化軟件控制策略，在自動防凍排空指令執行后禁止TDS CCU 重啟，徹底消除動車組重復自動啟動的情況；只有當蓄電池電壓上升到110V 后，方允許TDS CCU 自動重啟。

6.2 結合高級修更新蓄電池

針對蓄電池壽命問題及老化較普遍的情況，可結合高級修修程，一是提高三、四級檢修蓄電池檢查檢測標準，對單體容量進行循環充放電測試，要求電池容量須高于新品容量的90%，達不到要求進行更新；二是結合五級檢修修程，將CRH1A 型動車組蓄電池全部更新，以消除蓄電池老化問題。

7 結論

通過對CRH1A 型動車組防凍排空相關控制原理及控制缺陷問題的深入研究，提出了提前介入預防方案、應急處置方案及長期解決方案，采取物理隔斷、軟件修改參數、軟件升級、蓄電池更新等各種手段進行防控，可以大大減少問題發生機率，縮短故障處置時間，提高應急處置效率，降低運輸影響，為高鐵更安全、穩定運行保駕護航。