昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引方案研究

潘文凯

(云南京建轨道交通投资建设有限公司 云南 昆明 650000)

0 前言

目前，城市轨道交通车辆的行驶依赖于第三轨(或接触网)供电，这样大大限制了断电情况下调车的灵活性[1-2]。蓄电池牵引是在车辆外部无法正常供电或通过第三轨断电区情况下利用车载蓄电池组自行牵引的方案[3-6]。昆明地铁4号线(以下简称“4号线”)车辆采用接触轨DC1 500 V供电，均衡修库内不设接触轨，出入库时采用滑触线供电的方式来牵引列车。这种供电方式存在检修人员工作量大、效率低等问题，同时存在触电等安全隐患[5]。

蓄电池牵引是昆明轨道交通中首次采用的牵引方式，具有灵活高效的优点。该方式可以消除车辆出入库时的安全隐患，解决检修人员操作复杂、效率低等弊端。在正线运行时，车辆通过三轨无电区能力增加，且可以实现正线救援，使车辆行驶至附近车站疏散乘客，提高运营效率[7]。本文针对4号线车辆蓄电池牵引的需求设计了一种蓄电池牵引方案，并通过仿真分析验证了方案的合理性，最后根据仿真结果对蓄电池容量作了计算和选型，使其满足于4号线的使用需求。

1 蓄电池牵引方案分析

4号线自陈家营站起至终点昆明火车南站，全长约43.391 km，其中高架线长度约3.7 km，地面线约0.8 km，地下线约38.891 km。全线共设车站29座，其中高架站3座、地下站26座。主变电所3座(新建麻苴主变电所)，在大漾田设车辆段，在白龙潭和广卫设停车场，同时在广卫停车场(跑马山)设大架修基地。

1.1 车辆概述

4号线车辆采用6编组B1型车(4动2拖)，编组形式为：-Tc*M*M-M*M*Tc-，其中：Tc为带司机室的拖车，M为不带司机室的动车，-为半自动车钩，*为半永久车钩)。

车辆在正线运行时，采用接触轨下部供电方式；库内检修及调车时，采用滑触线供电或蓄电池牵引。牵引系统采用VVVF逆变器控制的鼠笼式异步电动机(190 kW)构成的车控式交流传动系统。车辆最高运行速度为100 km/h(构造速度110 km/h)，与牵引系统有关的技术参数如表1所示。

表1 4号线车辆牵引系统主要技术参数

1.2 蓄电池牵引方案设计

1.2.1设计目标

根据昆明市的地理条件，结合4号线工程的线路条件与车辆参数等确定蓄电池牵引的设计目标：AW0载荷列车依靠自身蓄电池动力(无接触轨、车间电源)在车辆基地库内移动1 000 m(坡度≤2‰)。蓄电池牵引时可以不考虑同时满足45 min负载紧急供电要求。

1.2.2方案设计

(1)主电路设计

根据列车的高压电源电路图，在M1车设有用于蓄电池牵引的接触器箱，当列车在无DC1 500 V高压输入的情况下，通过激活司机室的蓄电池牵引功能按钮/开关，使牵引系统由车载蓄电池(DC110 V)供电并驱动列车行驶。列车用蓄电池牵引充分考虑了蓄电池的寿命，进行45 min紧急负载供电和使用蓄电池牵引后，蓄电池电量可以通过车载蓄电池充电机恢复。

(2)特性设计

应急牵引电压：DC88V ～ DC113 V；计算轮径(新轮)：840 mm；齿轮传动比：6.3333；车辆自重：Tc车为33 t，M1/M2车为34.5 t；运行速度：0～ 4 km/h；蓄电池配置：车辆设置两组蓄电池，每组蓄电池分别为一辆动车供电；齿轮的传动效率(计算用值)：0.98；列车在新轮径、AW0载荷及蓄电池DC88 V～DC137 V条件下，列车最大起动轮缘牵引力：Fst=50 kN；每根动轴的最大起动轮缘牵引力为6.25 kN(两节动车)；恒牵引力速度范围：0 ～ 1 km/h；恒功率速度范围：1 ～ 4 km/h；牵引电机启动转矩约为405 N·m。

在网压为DC88 V ～ DC137 V时，牵引特性不变；在网压小于DC88 V时，蓄电池牵引不可用，牵引特性曲线如图1所示。

图1 蓄电池牵引特性曲线

(3)控制方案设计

蓄电池牵引模式的转换需要由TCMS(列车控制及监控系统)、DCU(牵引系统控制单元)和SIV(静止逆变器装置)共同配合实现。TCMS主要负责传递“蓄电池牵引-预备”信号、“蓄电池牵引”信号及判断整车是否符合进入蓄电池牵引的条件。DCU主要负责判断本节车牵引系统是否符合进入蓄电池牵引的条件，并执行蓄电池牵引程序及相关保护动作，故障判断。SIV负责执行TCMS发出的指令并执行相应的保护程序。

蓄电池牵引控制方案的原理框图如图2所示，下面对原理框图进行简单介绍。

图2 蓄电池牵引原理框图

①司机室操作台上设置有“蓄电池牵引模式”选择开关，司机在列车静止后，将选择开关打到闭合位。② TCMS在收到“蓄电池牵引模式”高电平有效信号后，首先判断以下车辆信号的状态：列车零速信号有效、三位置隔离开关处于运行位、VVVF及SIV通讯正常、蓄电池电压值大于88 V且小于137 V。当所有状态满足时，TCMS向所有DCU及SIV发送“蓄电池牵引-预备”信号并保持，如有任意一条不满足要求，则HMI显示“无法进入蓄电池牵引模式”。③SIV接收到TCMS发送的“蓄电池牵引-预备”信号后立即停机，待“蓄电池牵引-预备”信号撤消并接收到“SIV启动”信号后才能重启启动。④ DCU接收到TCMS发送的“蓄电池牵引-预备”信号后，分断所有高速断路器(同时屏蔽合高速断路器命令)、接触器。高速断路器断开后开启斩波，并判断逆变器状态正常后发送“蓄电池牵引-ok”信号。⑤TCMS系统判断所有高速断路器断开，并收到两M1车DCU发送的“蓄电池牵引-ok”信号后，则在HMI提示司机“进入蓄电池牵引模式-请确认”，待司机点击确认按钮后，给两节M1车DCU发送“进入蓄电池牵引”信号，如有任意一条不满足要求，则HMI显示“无法进入蓄电池牵引模式”。⑥DCU在高速断路器断开状态，接收到TCMS发送的“进入蓄电池牵引”信号后，闭合蓄电池接触器KM1、KM2，并收到TCMS发送的方向和级位手柄操作信号后执行牵引程序及相应的保护逻辑。⑦TCMS接收到“列车总牵引力大于10 kN”信号后，发出“停放制动缓解”信号，列车停放制动缓解并开始运行。⑧列车在制动工况下，只执行空气制动。列车速度小于1 km/h时，TCMS发出“停放制动”信号，制动系统开始施加停放制动。⑨车辆到达指定位置后，在列车停车状态，司机操作“蓄电池牵引模式”选择开关至分位。

另外，TCMS在蓄电池模式开关断开后，才可以识别其他运行模式，如洗车模式。DCU及SIV在“蓄电池牵引-预备”及“蓄电池牵引信号”撤消后才可以进入正常运行模式。DCU在“蓄电池牵引-预备”及“蓄电池牵引信号”撤消后才可以再次闭合高速断路器、紧急牵引模式。DCU在收到紧急牵引模式时停机断开蓄电池接触器BLB1、BLB2。

2 仿真分析

根据上述蓄电池牵引方案并结合4号线车辆参数和实际线路情况，利用轨道交通牵引计算及仿真平台进行仿真分析，其中仿真参数设置如下：

车辆自重：Tc车33 t，M车34.5 t；轮径：840 mm；齿轮传动比：6.333；车辆载荷：AW0；线路坡度：2‰；行驶距离：1 000 m；蓄电池电压(恒定值)：90 V(实际中大于90 V)。

列车时间-速度曲线如图3所示。由图可知，列车运行最大速度为4 km/h，从零加速到4 km/h运行时间约为17.5 s，加速度约为0.07 m/s2，制动时减速度约为0.5 m/s2，在2‰坡度的轨道上运行1 000 m需要905.5 s。

图3 列车时间-速度曲线

列车里程-电流曲线、时间-功率曲线如图4所示，电流和功率分别主电路的输入电流和输入功率。由图可知，列车在起动时输入电流有一个较大的超调量，然后稳定在272 A左右，平均输入功率约46 kW。

图4 列车电流与功率曲线

3 蓄电池容量选型

根据前面的分析和仿真结果，应急牵引1 000 m负载如表2所示。以下将分应急牵引1 000 m(同时应急供电)和应急供电45 min两种情况对蓄电池容量进行计算。

表2 牵引1 000 m和应急供电负载情况

3.1 牵引工况蓄电池容量计算

根据表2的数据和蓄电池的特性计算蓄电池的只数和容量。根据以往经验[8-10]，蓄电池的浮充电电压按1.42 V/只计算，蓄电池的只数按84只计算，则浮充电电压为119.28 V。

(1)紧急牵引1 000 m前17.5 s

由单组仿真数据计算需要净容量C1为∑Iit=1.995 2 Ah；

每套蓄电池最大牵引电流为474.97 A。

(2)紧急牵引1 000 m后888 s

由单组仿真数据计算需要净容量C2为∑Iit=67.133 5 Ah；

每套蓄电池牵引电流为272.17 A。

(3)牵引1 000 m同时应急供电905.5 s

每套蓄电池组的平均应急放电电流和功率/蓄电池组的平均放电电压相等，即：22 kW/(84×1.0 V)/2≈131 A。每组蓄电池供电905.5 s需要净容量C3=33 Ah。

蓄电池牵引前17.5 s放电最大电流为：606 A；后888 s电流为403.2 A。考虑放电倍率系数，列车要求蓄电池提供的容量为C0=C1/0.85+C2/0.9+C3/0.9≈113.7 Ah。考虑浮充充电效率、低温下的放电效率及使用寿命12年老化系数等影响因素，并考虑到蓄电池容量的额外裕度，蓄电池实际容量为：C=C0/Kt/η/a=171.4 Ah。

其中：C0为不考虑任何影响系数下的蓄电池经容量，113.7 Ah；Kt为蓄电池在-10 ℃条件下放电的容量修正系数，0.85；η为蓄电池的充电效率，0.9；a为蓄电池老化修正系数，0.867。

3.2 应急供电45 min容量计算

根据表2的数据，列车紧急供电时蓄电池需要提供的功率为22 kW。蓄电池组的平均放电电流约为232.8 A。蓄电池紧急供电45 min需要的净容量C0=174.6 Ah。考虑浮充充电效率、低温下的放电效率及使用寿命老化系数等影响因素，蓄电池实际容量为C=C0/Kt/η/a=292.5 Ah。每列车用两组蓄电池，则每一组蓄电池容量为146.2 Ah。

根据计算结果，采用较大容量的计算结果并考虑了一定的余量，本项目每套DC110 V蓄电池组采用额定容量为180 Ah的铬镍碱性蓄电池组，蓄电池的型号为GMH180-(2)，每组84只，每列车2组并联使用，完全满足4号线蓄电池牵引的容量需求。

4 结论

本文根据昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引的需求，结合其车辆的技术特点和线路特性，对蓄电池牵引方案进行了分析设计，并通过轨道交通牵引计算及仿真平台进行了仿真，最后根据仿真结果计算出蓄电池容量，最终选用容量为180 Ah的铬镍碱性蓄电池。经验证该方案完全满足4号线车辆蓄电池牵引1 000 m的需求，并对提高列车运营效率提供了极大帮助。