城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電系統(tǒng)研究*

王 通 楊 陽(yáng) 張國(guó)紅 于 爽

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司，266031，青島∥第一作者，工程師)

截至2021年底，中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有50個(gè)城市開(kāi)通了城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路(共283條)，總長(zhǎng)度達(dá)9 206.8 km，其涵蓋地鐵、輕軌、單軌、市域快軌、現(xiàn)代有軌電車(chē)、磁浮交通、APM(自動(dòng)旅客運(yùn)輸)系統(tǒng)等，運(yùn)營(yíng)規(guī)模繼續(xù)保持高增長(zhǎng)勢(shì)頭[1]。牽引供電系統(tǒng)作為城市軌道交通的重要組成部分，其在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中雖能保證足夠的安全性和可靠性，但仍無(wú)法避免由于供電系統(tǒng)故障、弓網(wǎng)故障和自然災(zāi)害等因素而造成城市軌道交通車(chē)輛供電短時(shí)中斷、線路停運(yùn)等問(wèn)題。特別是對(duì)在隧道中運(yùn)行線路而言，應(yīng)急供電對(duì)保障線路正常運(yùn)營(yíng)、人員及時(shí)疏散等會(huì)造成較大影響[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，常規(guī)的處理方式為運(yùn)營(yíng)單位派出工程拖車(chē)對(duì)故障車(chē)輛進(jìn)行救援，其耗時(shí)較長(zhǎng)，是一種被動(dòng)的應(yīng)急救援方式。若城市軌道交通車(chē)輛能通過(guò)車(chē)載電池儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急自供電，使迫停于區(qū)間的列車(chē)能夠自行牽引，同時(shí)保證城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急輔助供電，則可有效解決因列車(chē)不能受電引起的救援問(wèn)題。這是一種主動(dòng)的應(yīng)急救援方式。與此同時(shí)，城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電系統(tǒng)在線路供電正常時(shí)可擴(kuò)展為其他應(yīng)用，比如滿(mǎn)足城市軌道交通車(chē)輛在車(chē)輛段、試車(chē)線和停車(chē)庫(kù)內(nèi)等無(wú)網(wǎng)區(qū)的調(diào)車(chē)需求，從而節(jié)省了接觸網(wǎng)或第三軌供電的建設(shè)。

1 城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)內(nèi)地已有部分線路的城市軌道交通車(chē)輛逐步開(kāi)始裝載應(yīng)急供電系統(tǒng)。城市軌道交通應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)如表1所示。裝載該系統(tǒng)的城市軌道交通車(chē)輛涵蓋常見(jiàn)的A型車(chē)、B型車(chē)，其儲(chǔ)能形式既包括城市軌道交通車(chē)輛自帶的堿性電池及鉛酸電池，還包括能量密度和功率密度均較大的鋰電池[3]。電池電壓等級(jí)是根據(jù)車(chē)輛牽引供電電壓的不同，從DC 110 V至更高的電壓不等。城市軌道交通車(chē)輛的應(yīng)急供電能力與其配置的儲(chǔ)能電量、功率有關(guān)。同樣體積下，配置鋰電池可滿(mǎn)足城市軌道交通車(chē)輛正線牽引以及停車(chē)庫(kù)內(nèi)調(diào)車(chē)的較長(zhǎng)距離需求，且具備較高的行車(chē)速度，可牽引載荷較大的城市軌道交通車(chē)輛，使用壽命也較長(zhǎng)；而配置堿性電池、鉛酸電池則由于能量密度和功率密度均偏低，使用壽命較短[4]，一般僅適用于停車(chē)庫(kù)內(nèi)調(diào)車(chē)的平直道工況，且車(chē)速較慢、可牽引的車(chē)輛載荷較小[5]。

表1 我國(guó)內(nèi)地城市軌道交通應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of application status of domestic urban rail transit emergency power supply system

2 城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的供電制式，即DC 750 V / 1 500 V供電電壓等級(jí)[6]，設(shè)計(jì)了以下4種應(yīng)急供電系統(tǒng)，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 采用110 V電池的應(yīng)急供電系統(tǒng)

圖1 城市軌道交通車(chē)輛車(chē)載110 V蓄電池箱的應(yīng)急供電系統(tǒng)改造Fig.1 Emergency power supply system reconstruction of urban rail transit vehicle on-board 110 V battery

如圖1所示，對(duì)城市軌道交通車(chē)輛車(chē)載110 V蓄電池箱的應(yīng)急供電系統(tǒng)進(jìn)行改造。在城市軌道交通車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K，蓄電池處于浮充狀態(tài)，并保持滿(mǎn)電；在城市軌道交通車(chē)輛需要應(yīng)急供電時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)K，蓄電池接入牽引主回路。該設(shè)計(jì)的供電電壓等級(jí)低，電池組輸出電流大，致使電機(jī)處于低壓下發(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)而造成牽引效率較低；同時(shí)，受限于電池組(鎳鎘電池、鉛酸電池)的化學(xué)特性，一方面放電倍率不足，無(wú)法提供持續(xù)大功率輸出，另一方面循環(huán)壽命短，經(jīng)多次較大倍率放電后壽命衰減明顯，因此適用于牽引距離短、牽引功率小、牽引速度慢、應(yīng)急供電使用不頻繁的場(chǎng)合。

2.2 采用電池和充電機(jī)的應(yīng)急供電系統(tǒng)

如圖2所示，車(chē)輛增加電池箱和專(zhuān)用充電機(jī)，在車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K，充電機(jī)給電池箱補(bǔ)電；在需要應(yīng)急供電時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)K，電池箱接入牽引主回路。該設(shè)計(jì)與圖1對(duì)比不同的是電池箱電壓可進(jìn)行配置提升，以滿(mǎn)足DC 750 V / 1 500 V的供電電壓等級(jí)。考慮到電池組的耐壓安全性，一般配置電壓為DC 300 ～ 800 V。選擇能量密度與功率密度較大的鋰電池，可滿(mǎn)足較遠(yuǎn)距離的應(yīng)急牽引，并可以頻繁使用，牽引效率得以大大提高。由于此種應(yīng)急供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)提升，無(wú)法借助車(chē)上原有的110 V充電機(jī)進(jìn)行充電，須配置專(zhuān)用充電機(jī)，增加了一定的空間與成本。

圖2 采用電池和專(zhuān)用充電機(jī)的應(yīng)急供電系統(tǒng)

2.3 采用電池和雙向AC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

如圖3所示，車(chē)輛增加電池箱和AC/DC雙向變流模塊，在車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K，電池箱借助車(chē)輛AC 380 V通過(guò)AC/DC模塊實(shí)現(xiàn)補(bǔ)電；在需應(yīng)急供電時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)K，電池箱接入牽引主回路，同時(shí)通過(guò)AC/DC模塊實(shí)現(xiàn)逆變提供AC 380 V。該設(shè)計(jì)可在應(yīng)急牽引供電時(shí)提供整車(chē)的交流用電，以滿(mǎn)足通風(fēng)、空調(diào)、冷卻等客室緊急用電。其電池箱電壓等級(jí)一般為DC 600～800 V，具備較高的牽引效率。由于該應(yīng)急供電系統(tǒng)配置了AC/DC雙向變流模塊，也增加了一定的體積和成本。

圖3 采用電池和AC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

2.4 采用電池和雙向DC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

如圖4所示，車(chē)輛增加電池箱和DC/DC雙向變流模塊。在車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)閉合開(kāi)關(guān)K，電池箱通過(guò)DC/DC模塊降壓充電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，存儲(chǔ)的電能在車(chē)輛牽引時(shí)通過(guò)DC/DC模塊升壓放出，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；在需要應(yīng)急供電時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)K，電池箱通過(guò)DC/DC模塊升壓放電，電壓等級(jí)達(dá)到車(chē)輛額定供電電壓，牽引效率高，車(chē)輛輔助系統(tǒng)也可以正常工作。該設(shè)計(jì)既可提供應(yīng)急牽引和輔助供電，也可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收利用，大大提升了系統(tǒng)使用率，但也增加了一定的體積和成本。

圖4 采用電池和DC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

2.5 各種應(yīng)急供電系統(tǒng)對(duì)比

對(duì)上述4種應(yīng)急供電系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。實(shí)際情況下,應(yīng)基于應(yīng)用場(chǎng)合的不同，兼顧成本、改造難易等因素來(lái)選擇合適的改造方案。

表2 城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電系統(tǒng)對(duì)比Tab.2 Comparison of urban rail transit emergency power supply system

3 城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電的整車(chē)配合

城市軌道交通車(chē)輛在應(yīng)急供電工況下，需要整車(chē)多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，其基本控制邏輯如圖5所示。

圖5 城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電控制邏輯

1) 司機(jī)室確認(rèn)車(chē)輛完全停車(chē)、車(chē)況信息正常后，按下應(yīng)急供電投入按鈕，VCU進(jìn)入應(yīng)急供電控制模式。

2) VCU確認(rèn)HB處于斷開(kāi)位置后，向應(yīng)急供電系統(tǒng)下發(fā)開(kāi)關(guān)閉合命令。

3) VCU調(diào)整牽引為電池牽引特性，調(diào)整制動(dòng)為純空氣制動(dòng)，調(diào)整輔助系統(tǒng)降載，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)保持與VCU的實(shí)時(shí)信息交換。

4) 車(chē)輛到達(dá)指定位置后停車(chē)，司機(jī)室退出應(yīng)急供電按鈕，VCU退出應(yīng)急供電控制模式，應(yīng)急供電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了我國(guó)內(nèi)地城市軌道交通車(chē)輛應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)研究了4種不同應(yīng)急供電系統(tǒng)，對(duì)比分析了不同系統(tǒng)的原理特點(diǎn)，并考慮了應(yīng)急供電下的整車(chē)控制配合。隨著標(biāo)準(zhǔn)化地鐵列車(chē)、智慧化城市軌道交通車(chē)輛的設(shè)計(jì)推廣，應(yīng)急供電系統(tǒng)對(duì)提升車(chē)輛應(yīng)急救援能力、探索新節(jié)能方式具有重要意義。