蓄電池式跨座單軌工程車動力系統設計及應用

王立兵

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

跨座式單軌屬于中等運量軌道交通系統，國內已有重慶、深圳、蕪湖、柳州等地已經建成或正在建設跨座式單軌。其中重慶已建成的軌道交通2、3號線，是世界建成的線路最長、車輛保有量最多，客運量最大的跨座式單軌線路。

跨座式單軌工程車主要用于線路軌道梁、供電軌、道岔、通信信號、橋墩、隧道等設施的維護作業，能夠運送維護人員、器材、工具達到作業現場。

1 傳統跨座單軌工程車動力系統

傳統跨座式單軌工程車主要采用在工程機械車輛上已經得到成熟應用的動力系統，其主要由柴油發動機、液壓泵、液壓馬達及控制閥組等組成。該動力系統具有結構緊湊、牽引力大、易于控制等優點，但也存在廢氣污染、發動機噪音、尾氣污染、發動機功率限制②及后期維護量大等缺點[1-2]。

跨座式單軌線路多是穿行于城市主城區，線路大多離居民樓很近，傳統工程車的動力噪音、廢氣及尾氣污染，會對線路周邊的居民產生不良影響。

2 蓄電池式跨座單軌工程車動力系統

蓄電池式跨座單軌工程車（下稱：蓄電池工程車）具有低噪音、零排放等優點，很好解決了傳統跨座式單軌工程車夜間噪音、廢氣及尾氣污染等問題，改善了線路周邊居民的居住環境。

2.1 運行及車輛條件

2.1.1 使用環境及線路條件

蓄電池工程車主要用于線路維護，其具體使用環境及線路條件如表1。

表1 環境及線路條件

2.1.2 車輛主要技術參數

表2 車輛主要技術參數

2.2 蓄電池工程車動力系統設計

車輛動力系統需滿足以下3點：一是在平直道運行工況下，車輛最高運行速度達40km/h；二是車輛能在60‰坡度的坡道上順利起步；三是動力電池容量能夠滿足車輛續駛里程不小于35km。

2.2.1 動力系統布置

車輛動力系統由動力蓄電池、電機、液壓泵、油箱閥組、液壓馬達、閥組等部件組成。其動力系統配置圖如圖1所示。

圖1 蓄電池工程車動力系統配置圖

2.2.2 車輛阻力分析

車輛要能在線路上順利運行，要求動力系統系統提供的牽引力不能小于各路段車輛所受的運行阻力。車輛運行阻力包括：滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力、加速阻力、彎道阻力和起動阻力。

通過對車輛運行過程分析，取以下幾種典型工況進行分析計算：

（1）工況1：彎坡道起動—在彎坡道起動（R=50m、60‰）。

（2）工況2：中低速加速階段—在平直路上，以加速度0.5m/s2加速至20km/h。

（3）工況3：中高速加速階段—在平直路上，以加速度0.3m/s2加速到40km/h。

（4）工況4：最高速度持續運行—在平直路上，維持速度40km/h運行。

（5）工況5：定速過彎坡道—以15km/h速度順利通過彎坡道（R=50m、60‰）。

2.2.3 車輛阻力計算

將各工況的車輛及線路參數代入阻力公式，得到各工況所受的運行阻力，具體數據見表3。

表3 各工況運行阻力表

2.2.4 需求牽引力及功率計算

需求牽引力計算：Fq=Fz/η1/λy。

式中：Fz—為車輛所受最大阻力，N；η1—為馬達機械效率，取0.9；λy—為牽引力使用系數，取0.9。

代入數據計算得：Fq=21834.6N。

電機需求功率計算：pq=pz/η1/η2。

式中：pz—為車輛運行過程中最大阻力瞬時功率，經計算為105.9kW；η1—為馬達機械效率，取0.9；η2—為液壓泵機械效率，取0.9。

代入數據計算得：pq=130.7kW。

2.2.5 動力電池電量模擬計算

車輛耗電系統主要包括兩個部分：牽引系統和輔助系統。動力電池電量須滿足這兩個系統，在設計的續駛里程及工作時間內的正常工作。

牽引系統的耗電量受多種因素的影響，如線路的坡道及彎道情況（坡道大小及長度、彎道大小及長度）、環境溫度、駕駛習慣（急加速）、車輛狀態（胎壓、載荷、運行速度）等。

輔助系統的耗電量主要由車載空調、照明、工作裝置、散熱系統、輔助泵等設備的耗電組成。其中，車載空調的耗電量是最大的。

（1）線路分析及整合。每條跨座式單軌線路都分為很多段，各段的參數都不相同，如根據每一段的參數來進行電池電量計算，工作量將很大。為簡化計算，可以先對各路段的線路參數進行分析，對線路參數比較相近的區段進行整合、取平均值。

（2）牽引系統耗電量計算。根據整合后的線路情況，將每個路段分為加速和勻速兩個運行工況，并根據每個路段的情況（坡道、彎道等），設定兩種運行工況在各路段中的占比（大坡道路段中加速工況的占比，比平直路段中加速工況的占比要大）。然后根據各路段坡道、彎道大小，結合車輛動力系統性能，合理設置各路段的平均加速度。

因液壓系統在低壓小排量時，系統效率很低（只有0.6左右），而在高壓大排量時，系統效率較高（可達0.9以上），所以在計算牽引系統耗電量時，還需考慮液壓系統效率變化對牽引系統耗電量的影響[3]。

車輛是以國內某個跨座式單軌項目（一期）線路為設計目標，通過對其線路數據進行整合、取平均值后，在續駛里程35km為設計目標，進行了模擬計算。牽引系統耗電量計算結果見表4。

表4 牽引系統耗電量計算表

（3）輔助系統耗電量計算。輔助系統的耗電與輔助系統的工作功率及工作時長有關，輔助系統常用設備總工作功率為14.5kW，以單次工作時長4小時計，輔助系統總耗電量為58kWh。

（4）蓄電池電量計算。根據上述計算結果，牽引及輔助系統總耗電量為160.3kWh。設電池電量冗余系統為15%，溫度影響系數為0.9。

經計算，蓄電池需求電量為：W=204.8kWh。

2.2.6 牽引特性曲線

經牽引計算，車輛最高運行速度高于40km/h，并能在60‰坡度的坡道上起步并順利通過，完全滿足線路運行需求。車輛牽引特性曲線如圖2所示。

圖2 牽引特性曲線圖

3 試驗及運用情況

3.1 車輛運行試驗

車輛運行里程不小于100km，持續最高運行速度應不小于40km/h，車輛以速度40km/h行駛的里程應不小于10km。要求車輛能夠在60‰坡度的坡道上順利起動并通過，運行過程中，儀器儀表應正常，部件溫升正常。試驗結果：試驗最高運行速度45.3km/h；總行駛里程大于200km，以不低于40km/h的速度行駛里程為14.8km；車輛能夠在60‰坡度坡道順利起步并通過；動力電池放電電流在正常范圍內，電機無過熱現象，液壓系統最高工作壓力在設計范圍內，高低速檔切換平穩；動力系統運行期間儀器儀表顯示正常，各部件溫升正常。

3.2 電池續駛里程試驗

試驗環境溫度在20℃以上，試驗線路長度不小于5km。將蓄電池充電至滿電，并做好試驗前車輛的各項準備及檢查工作。試驗前，記錄開始里程和時間。啟動車輛總電源，開啟空調、照明等設備。控制行車手柄，將車輛緩慢加速至25km/h，保持該車速行駛。待電池電量剩余20%時，停止試驗，讀取結束里程和時間。通過換算，得出滿電續駛里程。重復試驗三次，取三次試驗數據平均值。試驗結果：三次試驗數據分別為36.9km、38.1km、33.3km，平均值為36.1km，達到設計續駛里程的103.1%，試驗結果符合設計要求。

3.3 應用情況

蓄電池工程車已成功在跨座式單軌正線上實現安全穩定運行，完成了最高運行速度試驗、60‰坡度坡道起步試驗、蓄電池續駛里程試驗等試驗，使車輛的動力系統得到了實際驗證，整車動力系統能夠滿足車輛需求。

4 動力系統方案優化

從上文可知，使用蓄電池-液驅作為蓄電池工程車的動力系統，因液驅系統的平均效率偏低（約0.75），為保證車輛一定的續駛里程，就需要配備大電量的動力蓄電池。

通過借鑒純電動汽車的動力系統，蓄電池工程車的動力系統優化為蓄電池-電機的動力系統，其動力系統配置圖如圖3所示。

圖3 純電驅動力系統配置圖

該套動力系統中，采用永磁減速電機為驅動，而永磁減速電機具有效率高（平均效率可達0.87以上），結構緊湊，重量輕，允許最高工作轉速高等特點，十分適合作為蓄電池工程車的驅動系統。使用永磁減速電機替代液壓馬達，既可以提高動力系統工作效率，又可以降低整套動力系統的重量。經初步估算，相同續駛里程（35km）條件下，可減少配置約40kWh的電池電量[4]。

5 結語

傳統軌道工程車輛多使用內燃機作為動力系統，其油耗高、噪音大、污染重等問題，在越來越嚴苛的排放標準面前顯得尤為突出。隨著國家提高非道路工程車輛的環保要求，相信使用新能源為動力的軌道工程車將是新的發展趨勢。