地鐵列車蓄電池牽引系統(tǒng)的研究

周浩 彭斯雅 袁士瑞

摘 要：本文根據(jù)地鐵對蓄電池牽引的需求，對蓄電池牽引系統(tǒng)的方案進行研究，具體包括牽引系統(tǒng)電路設(shè)計、仿真分析及容量計算等，通過實踐驗證，證明了設(shè)計方案的可靠。

關(guān)鍵詞：蓄電池牽引；主電路及控制電路；仿真計算；容量計算

中圖分類號：U260.13 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0043-02

0 引言

蓄電池牽引技術(shù)，即列車可通過激活司機室的蓄電池牽引功能，使牽引系統(tǒng)由車載蓄電池供電，讓列車在無高壓輸入的情況下自行牽引，以實現(xiàn)車輛移庫轉(zhuǎn)運功能。

這項技術(shù)的主要作用包括：①列車在正線運行時，當接觸軌供電故障，列車可以蓄電池牽引模式行駛至最近車站，進而疏散乘客，提高列車正線運營的可靠性。②在車輛段內(nèi)更方便地進行調(diào)車、洗車作業(yè)，節(jié)省人力成本、減少公鐵兩用車的數(shù)量。③固定維修場內(nèi)可不設(shè)三軌，保障維修人員安全。

1 蓄電池牽引系統(tǒng)的主電路及控制電路設(shè)計

出于成本和裝車空間的考慮，蓄電池牽引用蓄電池，由車載DC110V蓄電池供電。如圖1所示，兩端拖車車下各配置1組蓄電池，1組有2個蓄電池箱。作為車輛在無高壓情況下的供電電源。緊急情況下，2組蓄電池同時放電，以滿足此時整列車負載的用電需求。在B車牽引逆變器與蓄電池之間設(shè)置電動轉(zhuǎn)換開關(guān)箱（KMB箱），以實現(xiàn)正常DC1500V牽引和DC110V蓄電池牽引之間的供電隔離及轉(zhuǎn)換。

如圖2所示，在一般工作情況下，列車通過三軌受流，此時HSCB閉合，KMB斷開，DC1500V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動機供電，齒輪傳動裝置將牽引電機的牽引/制動力矩傳遞給列車輪對，驅(qū)動列車運行；在蓄電池牽引的工況下，HSCB斷開，1500V高壓供電與蓄電池供電相對隔離，DCU發(fā)出轉(zhuǎn)換開關(guān)吸合指令，1Q31繼電器得電，其對應(yīng)的常開觸點閉合。DC110V控制電經(jīng)1Q31、1Q01，使電動轉(zhuǎn)換開關(guān)KMB1、KMB2得電，蓄電池向牽引逆變器供電，驅(qū)動列車運行。

2 蓄電池牽引特性及仿真計算

2.1 蓄電池牽引特性計算

列車編組：*A+B+C*C+B+A*（4動2拖）

車輛自重：B/C：Mmo=38t A：Mtco=36t

列車總重：（AW0）：M0=224t/列

列車換算質(zhì)量：

Mg=Mmo×4×0.1+（Mtco×2）×0.05=18.8t

（AW0）：M0g=M0+Mg=242.8t

其中，M車的慣性系數(shù)為10%；Tc車的慣性系數(shù)為5%。

列車啟動阻力計算：按49×10-3kN/t計算

（AW0）：Wq0=M0×49=224×49×10-3= 10.98kN

最大坡度上的附加阻力Wi（kN）（i=5‰）：

（AW0）：Wi0=M0×5‰×9.81=11.0kN

設(shè)定蓄電池牽引模式下牽引力為65kN，

啟動加速度=（[牽引力]-[起動阻力]-[5‰坡道阻力]）/質(zhì)量

=（65-10.98-11）/（242.6）=0.18m/s2>0.0833m/s2

計算結(jié)果表明，蓄電池牽引模式下列車牽引力可以使列車在5‰上坡起動。

2.2 蓄電池牽引能耗仿真

在AW0載荷、5‰坡道上，運行1000m的相關(guān)特性曲線如圖3和圖4所示。

在蓄電池牽引模式下，主電路最大輸入電流約為477A，在最大坡道5‰運行的等效平均電流為182A，而牽引系統(tǒng)電路的額定電流值為450A以上，因此牽引系統(tǒng)可以滿足蓄電池牽引功能需求。

通過仿真計算，可知在AW0載荷、5‰坡道上，運行1000m的工況下，列車的運行時間為913s，旅行速度為3.99Km/h，主電路等效輸入電流為182A（峰值477A），電機等效電流為92.56A，總能耗為8.12kwH。

3 蓄電池選型

目前，地鐵列車用蓄電池主要包括膠體鉛酸蓄電池及纖維結(jié)構(gòu)電極式鎳鎘電池，如果按電解液分，前者屬于酸性電池，后者屬于堿性電池。本文以HOPPECKE公司的FNC鎳鎘電池與鉛酸電池的做對比，綜合考慮蓄電池的性能、成本、維護量，選用了HOPPECKE公司的FNC 160 HR2+電池，其基本參數(shù)如表1所示。

4 蓄電池容量計算

根據(jù)要求，車輛需滿足以蓄電池牽引模式在5‰坡道運行1000m，根據(jù)此要求可計算蓄電池容量如下：

（1）在應(yīng)急牽引工況下，整列車牽引主電路直流側(cè)能耗約為8.12kWh，運行時間為913s，峰值電流為477A（放電時間4s），列車的負載是：8.12*1000/（913/60/60）=32018W，半列車的負載是16009W。

（2）蓄電池組的放電終止電壓為：1.07×84=90V。

（3）放電電流為：I=P/V=16009/（（100.8+90）/2）=167.8A。

（4）列車需要消耗的蓄電池的容量為：C2=（913/60/60）*167.8=42.56Ah。

（5）蓄電池充電效率系數(shù)為0.9，蓄電池老化系數(shù)為0.9，溫度大電流放電合并系數(shù)為0.65，則應(yīng)急牽引下每組蓄電池容量應(yīng)為：C=C2/（0.9*0.9*0.65）=80.7Ah。

（6）緊急負載，放電時間913s，列車需要消耗的蓄電池的容量為：C3=913/60/60*122.73=31.13Ah。

（7）緊急負載每組蓄電池容量應(yīng)為：C=C3/（0.9*0.9* 0.888）=43.27Ah。

（8）應(yīng)急牽引下蓄電池的容量應(yīng)為應(yīng)急牽引所需容量與緊急負載容量之和應(yīng)急牽引下蓄電池的容量：80.7+43.27 =124Ah。

考慮到一定裕量，本項目最終選擇160Ah的蓄電池，單節(jié)電池標稱電壓為1.2V，整組電池總數(shù)量為84節(jié)。

5 試驗

經(jīng)試驗驗證列車以速度3km/h在平時軌道上運行300m時，蓄電池電壓保持在100V以上；在5‰坡道可運行1000m以上，達到預(yù)期設(shè)計目的。

6 結(jié)語

蓄電池牽引技術(shù)在地鐵列車上有很好的應(yīng)用前景，不僅可以提高正線接觸軌故障情況下的應(yīng)急處理效率，還能減少公鐵兩用車的數(shù)量，同時也大力的地節(jié)省了人力成本，具有較大的實用意義。通過在武漢7項目上的成功應(yīng)用，也證實了本方案的有效性。

參考文獻

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