市域動車組無網自走行技術的應用

王子超 師 睿 姚海英 馬澤宇 馬彬睿 李 軍 吳 健

(1.中國中車長春軌道客車股份有限公司， 130062， 長春； 2.神州高鐵技術股份有限公司， 100044， 北京；2.北京北交新能科技有限公司， 100044， 北京； 4.北京交通大學電氣工程學院， 100044， 北京∥第一作者， 高級工程師)

隨著我國城市軌道交通的迅猛發展，大型城市的軌道交通已由市區往郊區、市域延伸。而市域快軌線路因為連接中心城區和郊區，所以在線路設計中一般會存在隧道和分相區。雖然市域軌道在建設和運營方面會考慮牽引供電的安全性和可靠性，但仍不可避免因供電系統故障、弓網故障、人為(恐怖)破壞、偶發因素、自然災害等引起市域軌道車輛供電中斷或癱瘓。如果車輛停在隧道內，極易引起恐慌，誘發次生災害。當車輛正常受電失敗時，利用無網自走行車載儲能系統將車輛牽引至最近車站，疏散乘客下車，能有效縮短整條線路恢復正常運營應急處置的時間，緩解乘客恐慌，減小社會輿論及社會關注度。近幾年，已有一些城市的部分地鐵線路增加了地鐵車輛的無網自走行功能，如天津地鐵2號線、5號線以及6號線2016年就在部分車輛上進行了改造，增加了車輛的無網自走行功能。而市域動車一般車輛網壓較高，車輛又較地鐵車輛重很多，所以市域動車的無網自走行功能對車載儲能系統的功率輸出及升壓裝置功率輸出要求就很高。綜合考慮性價比，提出一種適用于市域動車無網自走行的解決方案很有必要。而基于無人駕駛技術，如何實現車輛在正常受電失敗后自動進入無網自走行模式，也需要綜合考慮車載儲能系統的智能化設計。

1 無網自走行需求

市域軌道交通大多采用交流25 kV、直流1 500 V兩種供電制式。不管哪種供電制式，都存在供電故障的情況，如主變電所故障、柔性架空接觸網移位或變形、牽引變電所故障、車輛誤停在分相區等。這些故障都會影響車輛的正常運營，輕者影響乘客的正常出行，重者會造成乘客恐慌，引發社會輿論的關注。尤其對于存在長距離地下或隧道的線路，一旦車輛不能正常供給照明及通風，將會給乘客帶來極大的心里恐慌。如果車輛能夠利用車載儲能系統實現車輛的無網自走行，就能解決上述問題。

2 無網自走行系統方案

2.1 概述

車輛無網自走行功能的實現主要通過控制車載儲能系統、蓄電池牽引控制箱、牽引變流器以及AC/DC(交/直流電)雙向變流器的順序投入來實現。在整個無網自走行模式下，車輛要與正常供電模式互鎖，并通過蓄電池牽引控制箱中的二極管防止正常網壓逆流至蓄電池儲能系統。

無網自走行車載儲能系統的設計要綜合考慮整車安裝空間、最嚴苛的牽引工況、儲能系統的選型以及車載儲能系統的利用率，實現無網自走行車載儲能系統方案最優和利用率最大化。

以某市域線路為例，車輛采用6M2T8編組。為實現車輛的無網自走行功能，車輛設置兩組獨立的DC 600 V牽引蓄電池，并設置兩組獨立的牽引蓄電池雙向變流器。

正常牽引模式下，雙向AC/DC變流器將交流三相380 V電源整流為直流電源，并通過通訊與TCMS(列車監控系統)以及BMS(電池管理系統)進行數據交互，為牽引蓄電池系統充電。

無網自走行模式下，牽引蓄電池通過雙向變流器向AC 380 V母線提供電源，為牽引系統相關冷卻通風負載以及空調、空壓機供電，同時通過牽引蓄電池開關箱接入牽引變流器中間直流母線，為M1和M4車上的牽引逆變器供電，供8臺牽引電機工作。

2.2 車輛無網自走行牽引仿真計算

2.2.1 最大牽引力計算

車輛參數如表1所示。

表1 車輛參數表

列車全運行阻力Fr為各種阻力之和：

Fr=Frr+Frc+Frs

(1)

式中：

Fr——列車全運行阻力；

Frr——運行阻力；

Frc——曲線阻力；

Frs——坡道阻力。

1) 運行阻力。運行阻力Frr按Davis公式計算：

Frr=a+b·v+c·v2

(2)

式中：參數a、b和c取決于列車編組和載客情況。阻力系數參數如表2所示。取v=50 km/h,經計算得，Frr=9.67 kN。

表2 阻力系數參數表

2) 坡道阻力。坡道阻力Frs按以下公式計算：

(3)

式中：

mstat——列車靜態質量，取543 400 kg；

g——重力加速度，9.81 m/s2；

S——計算坡度，‰。

取S=0,代入式(3)計算得Frs=0 kN。

3) 曲線附加阻力。曲線附加阻力Frc與曲線半徑、列車速度、曲線外軌超高以及軌距加寬、車輛軸距等許多因素有關，計算時一般都采用經驗公式。參考中國鐵道出版社出版的《動車組牽引計算與仿真系統》，又考慮動車組全長在曲線內，公式如下：

Frc=mstat(2 000/R)g

(4)

式中：

R——正線最小曲線半徑，m。

式(4)中，取R=600 m，計算得Frc=17.8 kN。故Fr=Frr+Frc+Frs=27.47 kN。

4) 根據公式F=m·a推導出：

(F-Frr-Frs-Frc)=m·a

(5)

式中：

F——車輛牽引力；

Frr——列車基本阻力;

Frs——線路坡道阻力;

Frc——線路曲線阻力;

m——列車動態質量，取575 880 kg；

a——加速度。

車輛在AW3(超載)狀態下，按照a=0.28 m/s2的啟動加速度啟動，車輛需要克服基本阻力、坡道阻力和曲線附加阻力。經計算得F=188.7 kN。所以車輛最大牽引力設定在170 kN。牽引力特性曲線如圖1所示。

圖1 牽引力特性曲線

2.2.2 正線牽引仿真計算

正線上的車輛無網自走行仿真計算，按照車輛AW3載荷條件下平直道運行15 km。牽引計算仿真結果如圖2所示。圖中，線路電流是全車總的牽引網側電流，是2個牽引蓄電池的總電流。

圖2 正線線路電流、線路功率與速度曲線

2.2.3 分相區牽引仿真計算

分相區的車輛無網自走行仿真計算按照車輛AW3載荷條件下20‰坡道運行600 m。牽引計算仿真結果如圖3所示。

圖3 分相區線路電流、線路功率與速度曲線

2.2.4 車載儲能系統功率和電量需求分析

通過牽引仿真計算，可以得到對車載儲能系統的功率和電量需求。具體需求如表3所示。

表3 車載儲能系統功率和電量統計表

綜合考慮兩種無網自走行的工況，每組車載儲能系統需要滿足以下要求：① 每組車載儲能系統能夠承受的最大峰值電流≥860 A/2=430 A；② 每組車載儲能系統能夠承受的持續平均電流≥734.4/2=367.2 A；③ 每組車載儲能系統額定電量≥101.2 kWh/2=50.6 kWh。因此，車輛可以配置兩組標稱容量為80 Ah、額定電壓為DC 662.4 V、電量為52.9 kWh的鈦酸鋰電池，每組鈦酸鋰電池持續放電電流為400 A，峰值放電電流為560 A。這樣就能滿足上述無網自走行對儲能系統的要求。

2.3 無網自走行車載儲能系統控制邏輯

2.3.1 無網自走行車載儲能系統投入條件

蓄電池牽引控制流程如圖4所示。

2.3.2 無網自走行車載儲能系統退出條件

以下條件任意一個出現，牽引蓄電池牽引指令將撤銷，蓄電池牽引使能信號復位，撤銷后復位電動轉換開關：① 任意1臺牽引蓄電池啟動信號置0；② 或者任意1臺牽引蓄電池“牽引蓄電池OK”信號置0；③ 或任意1臺牽引蓄電池無故障信號置1(1代表故障)。

圖4 蓄電池牽引控制流程

3 車載儲能系統蓄電池的選型

目前軌道交通行業車輛多數使用鎳鎘堿性電池，少數使用鉛酸電池。鈦酸鋰電池目前在CR400BF動車組上作為輔助蓄電池批量應用，部分也在地鐵車輛上使用。鉛酸蓄電池、鎳鎘堿性電池、鈦酸鋰電池的性能參數如表4所示。

表4 不同種類蓄電池性能參數

軌道交通車輛等車載儲能設備因為要安裝在車輛上，安裝空間和質量都有嚴格要求，而鈦酸鋰電池能量密度高，相同電量的蓄電池，鈦酸鋰電池要比堿性電池輕10%～20%。另一方面，軌道交通行業車輛的使用壽命一般為30 a，鈦酸鋰電池的長壽命特性也適合應用在軌道交通車輛上。

鈦酸鋰電池配置電池管理系統后，能夠實時監控蓄電池狀態，一旦發現異常及時上報整車。在蓄電池發生嚴重故障時還會切斷電路進行保護，智能化程度更高。鈦酸鋰電池還具有免維護性，整個壽命周期只需要定期維護即可，不需要定期添加電解液和消除記憶效應。這在很大程度上減輕了蓄電池的維護工作量。

鉛酸電池由于對溫度極為敏感，又考慮鉛污染問題，歐洲各國已禁止使用。鎳鎘電池由于鎘重金屬污染，歐洲禁止生產。鎳氫電池由于能量密度不高，評估為過渡產品。其他三元和磷酸鐵鋰等電池由于安全性能不高，所以不建議應用在軌道交通行業。因此，從免維護、能量密度角度，鈦酸鋰電池是未來發展的方向。

4 系統利用率最大化

無網自走行車載儲能系統除了能滿足車輛受電失敗的應急牽引之外，還能在車輛段內使用。在車輛段區域內，列車在進行出入庫、調車、轉軌、自動洗車等作業時，使用車載儲能系統供電牽引列車，無需電網供電。

另外，當車輛輔助逆變器故障時，也可以通過投入牽引蓄電池和雙向變流器的方式來實現牽引蓄電池為車輛輔助負載供電。但是此種工作模式區別于車輛無網自走行模式，蓄電池牽引控制箱中的接觸器不需要閉合，鈦酸鋰車載儲能系統只需要為車輛輔助負載供電，雙向變流器工作在逆變模式。

5 結語

本文通過提出市域軌道車輛需要無網自走行的需求，進而得出實現車輛無網自走行功能的解決方案。方案又從車載儲能系統電路設計、整車控制以及車載儲能系統選型等方面進行了闡述和總結，為以后市域軌道交通車輛的無網自走行功能工程化打下了基礎。