新型牵引技术在城轨车辆自救应用中的研究

李慧娟　车聪聪　孙成慧

[摘 要] 文章介绍蓄电池牵引技术在国内外应用的现状，根据列车运营的需要对蓄电池牵引技术参与列车自救进行研究，就蓄电池自救技术实现的可行性做详细的说明。同时指出该项技术实施时会遇到的问题，并对这些问题进行探讨。经论证蓄电池牵引自救技术具有一定的实施价值。

[关键词] 城轨车辆；蓄电池牵引；逆变器

[作者简介] 李慧娟，南车青岛四方机车车辆股份有限公司工程师，山东 青岛，266111；车聪聪，南车青岛四方机车车辆股份有限公司工程师，山东 青岛，266111；孙成慧，南车青岛四方机车车辆股份有限公司工程师，山东 青岛，266111

[中图分类号] U23 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）04-0017-0004

一、前 景

目前，国内外城轨车辆采用蓄电池牵引技术项目的应用环境多数为地铁车辆列车出库时或简单调车时，而且列车的运行距离以及运行速度比较低，但该项技术的引入极大地提高了列车蓄电池的利用率，减少了列车和出库前的准备时间以及维护成本，保证了操作人员的安全。随着该项技术的成熟应用，用户已经不满足于低速短距离运行的工况，而是希望将该项技术引入到正线自救中来。以目前国内外城轨车辆为例，一旦隧道或地面的高压电源因故断开，列车只能等待救援机车救援至最近的车站清客、回库。而一旦此类事故发生，整条列车线至少一二十列列车同时救援可能会因为隧道设计的原因花费相当长的时间，在这段时间内，乘客的舒适度以及安全是无法保障的，极有可能引起不必要的恐慌，造成伤亡。此外，蓄电池自救技术的应用还可以缩短或取消隧道内逃生通道，在当前土建费用占90%的费用的城轨项目建设中，节省的成本将是一笔不小的数目。

二、蓄电池牵引技术在当前城轨车辆的应用

庞巴迪作为世界上第一个将蓄电池牵引技术应用在城轨车辆上的牵引供货商，已成功将该技术应用在多条地铁项目中：第一个采用该技术的项目是瑞典首都斯德哥尔摩市一条线路的地铁列车，之后庞巴迪牵引商先后将该项技术成功应用在国内的北京4号线、北京大兴线以及泰国曼谷的地铁项目中。

2009年9月开始正式运营的北京地铁4号线，供电电压DC750V，受电方式为第三轨上部受流，列车设计时速80km/h，基于合同的要求，车辆厂为列车配备了两组180Ah的蓄电池。该蓄电池组的容量完全能满足车辆45分钟应急环境用电量和列车移库所用的电量。目前，大兴线和北京4号线蓄电池牵引技术主要应用于车辆段或调试库做移车的用途，列车速度为3 km/h，设计理论运行距离为50米，而实际试验下来，列车以3 km/h的速度运行距离能达到750米左右的距离。

泰国曼谷的地铁是世界上第三个采用蓄电池牵引技术的地铁项目。该车采用2组蓄电池并联供电的方式，每组蓄电池的容量为180Ah，设计运行时速为3～5 km/h范围内，该车在空载状况下，在坡道不超过5‰的坡道上，运行距离为250m。

上海16号线是西门子首次将蓄电池牵引技术引入到国内地铁领域中的项目。该车为3编组车辆，受电方式为第三轨受电，受电电压为DC1500V。列车采用蓄电池牵引技术的设计时速为3～5 km/h，用于空车条件下的移库。

通过近几年蓄电池牵引技术在多个项目中的应用看来，蓄电池牵引技术是一种成熟、可靠的技术，将是未来城轨车辆必须具备的一种功能。

三、 蓄电池牵引技术在城轨车辆自救应用中的研究

当前蓄电池牵引技术主要用作在列车出库或入库的断电区移车。而列车在正线运营时，一旦出现由于其他外部因素导致线路高压供电中断的工况时，势必会造成乘客的未知恐慌，从而可能会引发人员伤亡、车辆受损的后果。基于以上情况，目前已有车辆采购方提出将蓄电池牵引技术应用到列车正线自救的环境中。

（一） 蓄电池牵引自救模拟环境

列车的模拟模型、运营工况如下表1：

（二）蓄电池牵引自救的供电方式

可用于蓄电池牵引供电方式主要有三种方式：

第一种是采用制动斩波升压的方式：将蓄电池DC110V电压斩波到直流几百伏的电压，这样就保证了电机在高压输入下能输出更大的转矩，从而带动列车的坡道运行。该项技术的实施必然会需要一个额外的斩波控制箱，无论对于成本还是车下布置困难程度都是一种考验，而且该项技术控制复杂，目前还没有成熟的业绩，不适用于坡道自救的情况。

第二种是直接采用DC110V蓄电池作为动力来源：将蓄电池DC110V不经过任何变换，通过一个接触器连接到牵引系统的输入端。目前国内外大多数低速运行的城轨车辆都是采取此类供电方式。由于列车在30‰坡道AW3的载荷条件下运行时所需要的能量以及蓄电池放电电流都比较大，没有合适的蓄电池组能够满足；同时在该种条件下电机的电压只有几十伏，不能输出足够的转矩来带动列车的运行。因此，该方案不能应用于坡道自救的工况。

第三种是采用蓄电池组串联供电的方式：将两组容量一样的蓄电池组采用串联供电的方式给列车的牵引系统供电。由于该种方式的牵引系统供电电压能达到DC220V，电机的输出转矩足以带动整列车的坡道自救。

（三） 蓄电池牵引自救的技术说明

蓄电池牵引自救的直流供电的原理图如下图1：

原理说明：

在正常牵引情况下，蓄电池牵引模式开关处于OFF位，DC1500V高压经弓网通过受电弓传送到列车高压箱HV-BOX。列车控制系统控制高速断路器HSCB吸合，DC1500V高压电经高压箱传送给牵引控制箱VVVF经IGBT斩波转换成一个三相变压变频电压（AC1000V左右），并供应给牵引电机。

在蓄电池牵引模式下，蓄电池牵引模式开关处于ON位，TCMS和VVVF接收到司机发出的蓄电池牵引模式指令后，首先TCMS控制高速断路器HSCB断开，其次控制蓄电池组串联接触器BOC3闭合，实现蓄电池的串联输出，再次将蓄电池牵引断路器BOC1、BOC2吸合。通过蓄电池中蓄积的DC220V电源为VVVF供电。VVVF将输入的DC220V供电电压转换成一个三相变压变频电压（AC100V左右），并供给牵引电机。功率转换使用由微处理器逻辑控制的IGBT完成。

蓄电池组的选取：

通过仿真计算，列车运行于表1模拟工况时，瞬间启动电流在2500A左右，时间持续在2S左右。稳定后工作电流稳定在1800A左右，运行600米，耗时5分33秒，平均运行速度为6.5km/h。

通过模拟计算，蓄电池牵引自救时所需要的整车的蓄电池容量为350Ah左右。考虑到蓄电池的温度，浮充电等系数，所需要的蓄电池容量为430Ah，列车6分钟应急工况所需要的蓄电池的容量为42AH，最终选取230Ah的蓄电池组4组作为列车的能源。正常供电时采用4组蓄电池组并联充放电的工作方式；无高压电源时，采用两并两串的供电方式，为列车牵引设备提供DC220V的应急电源。由于列车应急工作设备电源均为DC110V，为保证自救过程中，列车直流设备的正常工作，采用从两个串联蓄电池组的中间抽头的供电方式，作为列车短时间的应急供电用。

四、蓄电池牵引自救技术存在的问题及分析

（一）蓄电池选型

目前国内外应用于铁路行业的蓄电池主要有三种：酸性蓄电池、碱性蓄电池以及锂电池。通过三种蓄电池各方面的对比看出：

铅酸蓄电池由于其放电倍率较低，能量质量比小，不能满足蓄电池大电流放电的性能；锂电池虽然能量质量比大，但由于其自身的温度特性以及充电条件苛刻，而且存在安全隐患，没有在城轨车辆上使用的业绩，目前也是仅仅处于一个研究阶段。因此不适用于城轨车辆中。

最终选用高倍率放电的碱性镍镉蓄电池，高蓄电池组的最大放电倍率为7倍率放电，完全能够满足列车启动时2500A的直流电流和持续1800A的恒定电流的输出，而且对蓄电池寿命本身没有影响。

（二）蓄电池发热

由于蓄电池牵引自救时蓄电池的放电电流比较大，较大的放电电流必然会导致蓄电池的发热，进一步引起蓄电池内阻增加的工况的发生。因此，选用蓄电池时必须考虑蓄电池是否具备大电流放电的能力，同时还要考虑大电流放电对蓄电池内阻的影响。若是内阻过大，蓄电池压降会过大，从而引起输出电压降低的情况。

（三）牵引系统的发热

蓄电池牵引自救时，牵引逆变器的输入电流瞬时达到2000A左右，恒定电流在1500A左右，在这种情况下就必须考虑半导体器件的散热问题。在蓄电池牵引自救时，导致列车不能正常运行的原因不是蓄电池本身的性能，大部分出在逆变器的温度保护上。

（四）技术应用的利弊

蓄电池牵引自救技术的引入，列车上的蓄电池组的数量须由原来的2组扩充至4组，每组由原来的160Ah变为230Ah，重量由原来的900×2kg变为现在的1.05吨×4，与原来相比重量增加了2.4吨，可能导致整车重量超标。由于蓄电池组数量变多，对车下布置也是一个极大的考验。此外，蓄电池自救技术的应用概率比较低，一年或是数年都很难用一次，因此列车耗能会增加。但采用了该技术，可以在第一时间躲避险情，取消了车辆段内的高压供电设施，以及调车用的机车，减少了运营成本和维护成本。

五、结 语

目前，蓄电池牵引技术在城轨车辆上有着很好的应用前景，在车辆段内的移车的作用是很大的，同时节省了建设成本和运营的维护成本。随着人们对安全认识的提高，已经不满足于仅仅在车辆段内的应用要求，将蓄电池牵引技术应用在车辆自救的工况的渴求会越来越大。蓄电池牵引自救技术能够迅速地规避各类突发情况，将列车运行至最近站点，疏散乘客，保证乘客的安全。但该项技术对于蓄电池本身和牵引系统有着很高的要求。随着技术的发展，该项技术必然会成为城轨车辆项目中不可或缺的一项技术。

[参考文献]

[1]肖世雄，范忠胜，温志强.蓄电池紧急牵引技术在地铁列车上的应用[J].机电设备技术（增刊）2011，（S1）

[2]杜玉峰，刘伟.地铁电动工程车牵引蓄电池参数的确定[J].电力机车与城规车辆，2004，（4）.