城市軌道交通蓄電池工程車制動模式研究

盧林科

（廈門地鐵運營有限公司，廈門 361000）

目前，在環保節能大環境要求下，各地鐵公司大多優先選用蓄電池工程車。中車株洲電力機車有限公司生產的ZER3 型蓄電池工程車在同類工程機車中受到大眾的廣泛接受，DK-2 型制動系統是該機型的標準配置。該制動系統可以選用空電混合制動模式和空電聯合制動模式，其中空電聯合制動模式更有優勢，可以適用于不同場景。

1 空電混合制動模式探討

1.1 原理分析

圖1 所示為電制動特性曲線圖。當司控器手柄置于制動區時，制動機制動控制單元（Brake Control Unit，BCU）根據司控器手柄的位置計算出機車所需總的制動力大小，并根據圖1 計算出所需電制動力的大小。通過網絡向牽引系統申請電制動力，申請的電制動力為機車所需的總制動力與計算的電制動力兩者的較小值。牽引系統根據自身能夠提供的電制動力，通過網絡返回給BCU 實際能夠實施的電制動力大小。BCU 對機車所需的總制動力和返回的實際電制動力進行比較，如果電制動力完全滿足機車總制動力需求，則空氣制動力為0；如果返回的實際電制動力小于機車總制動力需求，則空氣制動力為機車總制動力與返回的實際電制動力之差。

圖1 電制動特性曲線

1.2 制動控制方式

為了提高制動速率，以便電制動力下降時能夠及時補充空氣制動力，當司控器置于制動區時，機車制動缸會保持40 kPa 的空氣壓強，此壓強能夠保證閘瓦剛好貼近閘片，達到輕微的制動狀態[1]。

1.3 優劣性分析

空電混合模式的優點是制動響應快、制動效率高，能夠實現電制動與空氣制動的有機結合，電制動力不足時空氣制動能夠快速介入。該模式的缺點也很明顯，無論機車制動時所需的制動力為多少，空氣制動都會介入，沒有充分利用電制動功能，基礎制動閘瓦的磨耗較快。此外，僅小閘制動具備混合制動功能，大閘制動未集成電制動功能，操作大閘制動時電制動無法自動介入。在地鐵工程車施工或救援應用場景中，普遍采用雙機或附掛車輛的方式，大閘制動頻率高于小閘制動，無法充分利用制動電能，節能環保性降低。

2 空電聯合制動模式探討

2.1 功能優勢分析

空電聯合制動指以電制動（包括電阻制動及再生制動）與空氣制動為基礎，在優先、充分使用電制動原則的前提下，空氣制動與電制動有機結合的一種綜合制動功能[2]。空電聯合制動可以充分利用機車電制動力來減少空氣制動時機車基礎制動裝置的機械磨耗，從而延長基礎制動裝置的使用壽命，降低檢修維護成本。同時，采用空電聯合制動可以縮短制動力的建立時間，縮短制動距離，提升制動系統的可靠性和安全性。

2.2 原理分析

空電聯合裝置包括BCU、中央控制單元（Central Control Unit，CCU）、DBI 電磁閥和空電聯合轉換開關等，如圖2 所示。

圖2 空電聯合裝置結構

當司機通過自動制動手柄施加自動制動時，列車管減壓，BCU 將根據自動制動手柄的位置計算目標制動缸壓力，并按照常用全制動目標制動缸壓力對應電制動申請百分比為100%來計算電制動申請百分比，然后通過多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）將電制動申請百分比發送給CCU。當列車管減壓量增大時，電制動申請百分比相應增大。緊急制動時，因制動缸壓力比常用全制動高，將產生一個大于100%的電制動百分比。列車管完全緩解前，電制動申請百分比將為0[3]。機車CCU 在接收到BCU 發送的電制動申請百分比后，按與空氣制動力對應大小申請電制動力，并綜合當前工況下可用的電制動力、空電聯合開關“=28-S31”狀態、牽引/電制動手柄電制動力設定值，根據圖3 流程輸出DBI 信號。

圖3 DBI 指令輸出流程

當CCU 輸出DBI 信號后，如果此時主斷狀態開關“=21-K02”閉合，則DBI 電磁閥將得到勵磁。同時，遠程信息控制單元（Telematics Control Unit，TCU）將獲得CCU 通過MVB 發送的電制動值，并控制牽引電機反向勵磁，產生電制動力，經牽引變壓器將電制動能量回饋接觸網。DBI 電磁閥勵磁后，其與作用閥之間的作用管壓力空氣將排向大氣，制動缸與大氣導通，制動處于緩解狀態。

3 空電聯合制動與空電混合制動對比分析

3.1 空電聯合制動

聯合制動通過操作大閘制動實現。當操作大閘施加制動時，列車管減壓，此時如果機車有動力制動可以提供，那么機車電制動會被施加（電制動施加的大小根據列車管減壓量進行控制），空氣制動會被切除。由于列車管減壓，被連掛車輛會自動施加空氣制動[4]。

3.2 空電混合制動

混合制動是機車的空氣制動和動力制動能夠同時作用。當操作小閘施加制動時，機車會優先采用電制動力，當電制動力不足時，會自動補充機車的空氣制動力。當電制動故障時，自動切除電制動力，全部采用空氣制動力。當操作大閘施加制動時，機車只采用純空氣制動，電制動不介入，閘瓦磨損量較大[5]。

3.3 對比分析

由表1 可以看出，空電聯合模式下電制動的次數為4 次，是空電混合模式的2 倍。在機車中速運行（常用工況）下，空電聯合模式采用大閘制動，電制動功能可有效參與制動，進而減少閘瓦磨耗。特別是在多車輛編組情況下，采用小閘制動無法使列車減速停車，只能采用大閘制動，空電聯合的優勢更加明顯。

表1 兩種制動模式的工況分析

4 結語

從ZER3 型蓄電池工程車DK-2 型制動系統控制模式的技術性及節能性出發，分析了空電混合、空電聯合制動模式的技術特點。空電聯合控制模式在空電混合控制基礎上有效提高了電制動參與率，減少了閘瓦磨耗，并利用制動產生電能反饋接觸網，從而達到節約能源的目的。綜上所述，無論從技術方面還是功能合理性方面考慮，相較于空電混合制動模式，ZER3 型蓄電池工程車制動系統采用空電聯合制動模式具備更好的操控性和節能環保性。