车载蓄电池应急牵引改造方案分析

何祥龙

摘要：在城市轨道交通体系中，地铁因其安全便捷、高效迅速的优点得到广泛应用，尤其是在经济较为发达的城市，地铁已经成为交通体系中不可或缺的一环，给城市居民提供了优质的公共交通服务。在城市轨道交通运营中，需要对供电系统给予足够的重视，以保证其正常运行，但是当供电系统发生故障，或受到偶发因素、自然灾害影响或是人为破坏时，将会导致地铁供电出现短时的中断或者长时间的瘫痪，不仅会导致线路停运，甚至对整个轨道运行体系中的所有城市轨道线路带来不良影响，在引起乘客恐慌的基础上诱发次生灾害，后果十分严重。

关键词：地铁交通  车载蓄电池 应急牵引 优化方案

中图分类号：U260     文献标识码：A

Analysis of the Emergency Traction Transformation Plan for Vehicle-Mounted Batteries

HE Xianglong

（First Operation Branch， Beijing Subway Limited， Beijing ， 102209 China）

Abstract： In the urban rail transit system， subways are widely used due to the advantages of safety， convenience， efficiency and speed. Especially in economically developed cities， subways have become an indispensable part of the transportation system， and they provide high-quality public transportation services for urban residents. In the operation of urban rail transit， sufficient attention needs to be paid to the power supply system to ensure its normal operation. However， when the power supply system malfunctions or is affected by occasional factors， natural disasters or man-made sabotage， it will lead to a short-term interruption or long-term paralysis of subway power supply， which not only leads to the shutdown of the line， but even has adverse effects on all urban rail lines in the entire rail operation system and triggers secondary disasters on the basis of causing panic among passengers， and the consequences are very serious.

KeyWords： Subway transportation; Vehicle-mounted battery; Emergency traction; Optimization plan

蓄电池牵引技术，即通过蓄电池的牵引来实现列车在供电系统不能正常运行的状态下的启动和行驶，通过激活地铁车辆自身承载的蓄电池组来使车辆的牵引系统由车载蓄电池实现供电。通过蓄电池牵引，以更加灵活高效的供电方式来消除车辆在运行过程中可能出现的安全隐患，在保证车辆能够在供电系统异常的情况下正常运行，便于检修人员进行后期的修缮和维护，同时能够确保车辆行驶至相应的站点，为乘客疏散和救援创造良好的条件。文章以北京地铁六号线为例，研究了一种轨道交通蓄电池应急系统的设计和应用，充分参考行业内轨道交通蓄电池牵引案例。

1. 轨道交通蓄电池应急系统

当前城市轨道交通体系复杂，地铁、轻轨等各种交通方式为大众出行提供了丰富的选择。这也就导致当轨道交通列车发生故障时造成的影响和损失较大，以非因车辆原因造成的列车无法正常受电事故为例，其恢复的时间较长，往往超过车辆的应急供电时间，且轨道所处环境复杂，车辆维修检查、乘客救援和疏散的难度较大。当发生车辆运行事故时相关运营管理部门主要是通过就地疏散的形式来疏散乘客，但是由于轨道交通的站间距较长，发生故障后乘客疏散步行通过区间的时间较长，不仅会直接影响轨道交通的恢复，同时还可能产生其他安全事故。基于此，迫切需要展開轨道交通应急牵引的技术研究，充分利用列车自载的蓄电池来进行应急牵引，以进行列车的移动和入库，为后续的检修维护和人员疏散创造良好的条件。

而相应的技术研究也在开展，如东京地铁公司与日立制作所合作利用车辆的应急电池装置来开展列车的行驶实验。其对银座线内一辆六节安装了应急蓄电池的列车展开实验，将车辆切换到紧急行驶模式后，列车依靠应急蓄电池以5km/h的速度缓慢行驶，该列车在平坦的地方行驶了1.2km，上坡路段行驶300m。而东京银座线的站间距间隔最大的为1.3km，该应急牵引方案能够满足列车人员疏散和检修的需要、可在平坦的地方行驶1.2km，上坡则为300m。而在国内轨道交通行业，车载辅助蓄电池进行应急牵引的成功案例也较多，如北京地铁4号线、上海轨道交通16号线，其借助常规的车载蓄电池实现了短距离的列车牵引。

蓄电池牵引技术能够确保列车在无高压状态下实现启动行驶，当列车在平直轨道位置时，可通过激活蓄电池牵引功能实现列车的自行牵引，从而满足相应的移动需求。轨道交通蓄电池应急系统是轨道交通行业重要的安全保障装置，其主要作用是在电网故障或其他突发事件导致轨道交通线路停电时，能够提供电力保障，保证列车安全运行并尽快恢复电力供应^[1]。轨道交通蓄电池应急系统主要由以下几个部分组成。

（1）蓄电池组：蓄电池组是应急系统的核心部分，其主要作用是将电能储存起来并在需要时释放。蓄电池组可以根据实际情况的需要进行多个模块的互备运行，以确保系统的可靠性和稳定性。

（2）充电机组：当轨道交通的电网正常运行时，充电机组通过电网为蓄电池组进行充电，以保证蓄电池组始终处于充足的电量状态，为应急运行提供可靠保障。

（3）放电控制器：放电控制器主要负责控制蓄电池组的放电，当轨道交通电网出现异常时，放电控制器能够根据列车运行需要及时对蓄电池组进行放电，以保证列车的运行安全。

（4）应急负载开关：应急负载开关是一种关键性的装置，当轨道交通正常供电中断时，通过应急负载开关能够将轨道交通变电设备的负载迅速切换到应急电源提供的电源上，保障列车的运行和乘客的安全。

軌道交通蓄电池应急系统具有在极端恶劣的应急情况下能够保证轨道交通线路安全、快速恢复供电等重要功能，因此，在轨道交通行业中具有广泛的应用和发展空间。

２ 蓄电池牵引总体设计

当前我国城市轨道交通多采用直流1500V架空接触网或者直流750V三轨供电方式，设计轨道交通列车蓄电池应急牵引时需要结合具体的列车行驶和受电模式展开分析。国内轨道交通既有列车有A型车和小型车两种，编组形式也较为多样，有3节编组、4节编组、6节编组、7节编组和8节编组多种形式，其中，以6节编组的A型车为例（图1所示），其列车的编组形式为：--A+B+C=C+B+A--（其中A为有司机室的拖车；B为有受电弓的动车；C为无受电弓的动车）。

列车由两个单元车组组成，每个单元车组由1辆拖车和2辆动车组成，在正常情况下，弓网受电为列车的正常牵引模式，当弓网受电出现故障后，蓄电池将会为列车提供紧急动能并实现应急牵引，而在设计应急牵引技术系统时，需要从蓄电池牵引工况下的牵引持续实践和牵引速度两方面着手。在总体设计目标上包括两方面：一是能在外部电源或者接触网发生供电故障时，能够利用列车搭载的蓄电池完成应急牵引，并将列车以一定的速度，在一定时间内牵引至最近的站点，在减少列车故障对乘客不良影响的基础上开展疏散和相应的救援工作，并及时恢复列车的正常运行；二是要求将列车车辆牵引进站，便于技术人员开展后续的安全检查和维修工作。

根据需求目标进行蓄电池牵引主电路设计。其中，针对架空接触网供电方式的轨道列车，需要减蓄电池牵引方式集成到相应的交通系统中，并解决好牵引系统内部高压输入和蓄电池低压输入之间的可靠隔离，并对牵引电路展开功能互锁。配置相应的电动隔离开关，通过切换开关的形式来实现电路转换，当隔离开展接收到转换命令时，直接由低压控制线路提供直流电机电源。通过采用直流接触器，将蓄电池牵引电路同正常牵引回流电路实现可靠隔离，并通过车辆控制单元实施监测直流接触器的辅助触点，充分保证正常牵引和蓄电池牵引系统的隔离，以实现特殊情况下供电方式的快速切换。同时，根据轨道列车的高压电源电路图设置相应的用于蓄电池牵引的接触器箱，并在司机室控制台上设置相应地蓄电池牵引功能开关，当列车无高压接入时自动评估蓄电池应急牵引的条件，并通过信号传输及时通知控制系统，激活蓄电池应急牵引功能，此后转为由车载蓄电池供电并牵引列车至相应的站点区间。设计主电路充分考虑蓄电池容量特性和使用寿命。当蓄电池处于紧急负载供电工况并完成牵引后，通过车载的蓄电池充电机恢复并进行后续的检查维修。

在特性设计方面，根据应急牵引运行需求后开展后续的设计。根据应急牵引电压、轮径、齿轮转动比、车辆自动、运行速度等多项数据计算牵引特性曲线^[2]。进行控制方案设计时，蓄电池应急牵引模式的转换需要借助列车控制及监控系统、牵引系统控制单元、静止逆变器装置等多项设置共同配合实现。包括判断本节车牵引系统是否符合蓄电池牵引条件、是否存在相应的故障，并向控制系统发出相应的指令，以执行相关程序，完成应急牵引模式的切换。

同时针对列车应急牵引的需求展开蓄电池功能分析。由于应急牵引对蓄电池的预期功能要求较高，因此在开展应急牵引技术设计时，必须要求蓄电池具备将车辆从隧道区间牵引至区间站点的能力。根据成本、轨道交通站点情况、列车系统特点和技术水平等综合选用蓄电池，以满足蓄电池牵引的要求。

3 轨道交通运行实现方法

当列车运行过程中受到诸多复杂因素的影响，可能出现在线网故障、受流装置失效、无网区段等问题导致无高压输入，此时列车无法正常行驶，可借助车载蓄电池系统进行应急牵引。其原理主要是通过利用储存在蓄电池组的电能为列车提供运行所需要的外界电能。其实现牵引的路径主要是通过将蓄电池电能供给给辅助系统和牵引系统，实现应急供电。其中，应急牵引系统通过牵引逆变器将蓄电池组的电能转换成适合列车运行的交流电能，以保障列车的运行和乘客的安全。该系统通过牵引逆变器、应急牵引供电系统、牵引负载和牵引调速器等关键部件实现。

通过使用蓄电池替代传统受电方式或储能装置，为列车提供牵引动力。该方案具有能耗低、环保、安全性高等优点。蓄电池应急牵引系统内置在地面和车辆之间的牵引变流器，通过变流器将蓄电池组输出的直流（DC）电能转换为交流（AC）电能，提供动力给车辆。而牵引逆变器是应急牵引系统的核心，它将蓄电池组储存的直流电转换成列车需求的交流电。目前市场上使用的牵引逆变器主要分为两类：见缝插针式和直接转换式。见缝插针式的逆变器采用多级逆变器结构，通过控制不同级数逆变器的工作状态来实现输出交流电的控制，具有结构简单、易于维护的优点。直接转换式的逆变器直接将蓄电池组储存的直流电转换成交流电。该类型逆变器的效率高，且对电网的污染很小，符合环保要求。但是，其结构比较复杂，使用成本相对较高。选择牵引逆变器时需要综合考量技术、成本和效益等多项因素。

而应急牵引供电系统是应急牵引系统实现的重要组成部分。在设计应急牵引供电系统时需要考虑以下几个方面：对列车电气系统的负载特性进行分析，以确定应急牵引系统所需的电压和电容量；应采用多组并联的蓄电池组，以确保系统的可靠性；应选择一种高效的充放电管理策略，以延长蓄电池组的使用寿命。应急牵引供电系统是应急牵引系统实现的重要组成部分。在设计应急牵引供电系统时需要考虑以下几个方面：对列车电气系统的负载特性进行分析，以确定应急牵引系统所需的电压和电容量；应采用多组并联的蓄电池组，以确保系统的可靠性；应选择一种高效的充放电管理策略，以延长蓄电池组的使用寿命。

在设计一套实现方法的基础上，进一步开展相应的仿真计算，包括计算动车组蓄电池应急牵引模式下的恒速、蓄电池牵引性能仿真、蓄电池选型等一系列工作，确保蓄电池容量大小能够符合应急牵引需求，并能在紧急供电模式下实现快速释放大电流。总体来说，蓄电池应急牵引方案应当要满足车辆牵引启动、加速过程中的大电流和车辆辅助系统供电、应急牵引工况下车辆紧急负载45min供电的需求。

4 轨道交通项目投资效益分析

随着轨道交通线路遍及城市各个地区，确保轨道交通安全、高效运行成为了重要目标。建立轨道交通蓄电池应急牵引系统能够为轨道交通运输体系在非正常运营状况下提供电力支持和动能。由于轨道交通易受外界因素影响，各区间站点的客流量并不稳定，因此难以评估应急事故的危险程度，在发生供电事故时，为了保证轨道交通运输系统安全运行，开展相应的应急牵引技术探索为降低事故损失和帮助轨道交通体系正常运行提供了重要支撑。

一是经济效益方面，蓄电池系统是轨道交通列车系统的重要组成部分，蓄电池的日常检修和维护本身就是轨道交通运营的内容之一，因此，可在不增加或少增加列车蓄电池成本的情况下实现列车的应急牵引功能，开发蓄电池在紧急情况下为列车提供牵引动能的潜力。且蓄电池能够实现在线维护，有助于降低维护成本，借助车辆本身的蓄电池在线监测系统确保蓄电池处于正常运行状态，以便发生特殊情况时快速转化动能。

二是社会效益方面，蓄电池应急牵引能将轨道交通列车应急事故的损失降到最低，当外部供电网出现故障市列车司机启动蓄电池应急牵引功能，及时将旅客送到就近的站点进行疏散，确保旅客的乘车安全，避免了列车旅客在区间轨道上疏散行走时可能发生其他安全事故的可能性。同时，将列车蓄电池应急牵引技术进行标准化开发，将其利用与城市轨道交通体系中的所有列车，取得快速联动的效果，从总体上提高了城市轨道交通的运营质量，且列车公司拥有领先的列车蓄电池系统技术和完善的应急服务作业流程，形成了一整套成熟的应急事故解决方案，可进行相应的商业化推广并取得更多技术服务收入。

５ 轨道交通运输能力提升策略

在轨道交通列车蓄电池应急牵引技术研发中，提升蓄电池系统的牵引能力是一大重点，而其中蓄电池的容量对牵引效果尤其是牵引距离影响较大。首先在应急牵引的技术思路上，主要依靠网络系统和牵引系统DCU控制单元完成蓄电池应急牵引模式的转换，通过网络系统发出牵引信号，判断列车是否满足应急牵引的条件，再由控制单元DCU判断车辆牵引系统是否满足蓄电池牵引的条件，并执行相应的程序。在完善蓄电池应急牵引系统的设计过程中，要完善其他系统的功能，使其与蓄电池应急牵引相衔接^[3-6]。

在電池的选型方面，必须做好锂电池组的研究工作，包括对蓄电池大功率特性、温度特性、利用效率的研究，电池组系统在应急牵引高倍率放电时的防环流技术研究、电池组系统高倍率充放电机制研究以及电池组系统安全可靠性和电池组系统认证评价技术研究等。同时要做好蓄电池的容量计算工作，容量计算必须综合考察列车在无高压输入的紧急工况下供电和应急牵引模式下坡道运行两种情况，通过计算出蓄电池的紧急负载容量来考察其是否满足紧急供电的需求，在保证满足紧急负载需求的基础上为其提供15%的额外裕度。考虑到城市轨道交通运输的特殊性，为提升应急牵引效率并提高运行速度，可以增加蓄电池容量，并提升蓄电池应急牵引系统的输出功率，以提升列车的牵引力。

6 结语

综上所述，开展蓄电池牵引技术研究设计工作能够大幅提高车辆的运营效率。对轨道列车自身搭载的蓄电池进行应急牵引系统的设计将是未来技术发展的重要趋势，能够有效保证列车在紧急状态下启动并移动至区间站点，为后续的维修和疏散工作提供支持。与其他应急牵引系统相比蓄电池应急牵引系统具有可靠性高、电源寿命长以及启动效果好的优点。本文根据当前北京地铁六号线的运营现状和车辆特点，结合列车的技术特点和线路特性来展开了详细的蓄电池牵引方案设计工作，并通过牵引计算和仿真实现来检验其可行性，根据列车蓄电池的特点设计了一套蓄电池应急牵引系统，并从能力提升的角度对蓄电池的性能展开分析，使其满足列车应急牵引的需求，并为确保列车在非正常状态下的运营效率提供了极大的帮助。

参考文献

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