地铁列车蓄电池牵引系统的研究

周浩 彭斯雅 袁士瑞

摘 要：本文根据地铁对蓄电池牵引的需求，对蓄电池牵引系统的方案进行研究，具体包括牵引系统电路设计、仿真分析及容量计算等，通过实践验证，证明了设计方案的可靠。

关键词：蓄电池牵引；主电路及控制电路；仿真计算；容量计算

中图分类号：U260.13 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0043-02

0 引言

蓄电池牵引技术，即列车可通过激活司机室的蓄电池牵引功能，使牵引系统由车载蓄电池供电，让列车在无高压输入的情况下自行牵引，以实现车辆移库转运功能。

这项技术的主要作用包括：①列车在正线运行时，当接触轨供电故障，列车可以蓄电池牵引模式行驶至最近车站，进而疏散乘客，提高列车正线运营的可靠性。②在车辆段内更方便地进行调车、洗车作业，节省人力成本、减少公铁两用车的数量。③固定维修场内可不设三轨，保障维修人员安全。

1 蓄电池牵引系统的主电路及控制电路设计

出于成本和装车空间的考虑，蓄电池牵引用蓄电池，由车载DC110V蓄电池供电。如图1所示，两端拖车车下各配置1组蓄电池，1组有2个蓄电池箱。作为车辆在无高压情况下的供电电源。紧急情况下，2组蓄电池同时放电，以满足此时整列车负载的用电需求。在B车牵引逆变器与蓄电池之间设置电动转换开关箱（KMB箱），以实现正常DC1500V牵引和DC110V蓄电池牵引之间的供电隔离及转换。

如图2所示，在一般工作情况下，列车通过三轨受流，此时HSCB闭合，KMB断开，DC1500V直流电由牵引逆变器变换成频率、电压可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电，齿轮传动装置将牵引电机的牵引/制动力矩传递给列车轮对，驱动列车运行；在蓄电池牵引的工况下，HSCB断开，1500V高压供电与蓄电池供电相对隔离，DCU发出转换开关吸合指令，1Q31继电器得电，其对应的常开触点闭合。DC110V控制电经1Q31、1Q01，使电动转换开关KMB1、KMB2得电，蓄电池向牵引逆变器供电，驱动列车运行。

2 蓄电池牵引特性及仿真计算

2.1 蓄电池牵引特性计算

列车编组：*A+B+C*C+B+A*（4动2拖）

车辆自重：B/C：Mmo=38t A：Mtco=36t

列车总重：（AW0）：M0=224t/列

列车换算质量：

Mg=Mmo×4×0.1+（Mtco×2）×0.05=18.8t

（AW0）：M0g=M0+Mg=242.8t

其中，M车的惯性系数为10%；Tc车的惯性系数为5%。

列车启动阻力计算：按49×10-3kN/t计算

（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

设定蓄电池牵引模式下牵引力为65kN，

启动加速度=（[牵引力]-[起动阻力]-[5‰坡道阻力]）/质量

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

计算结果表明，蓄电池牵引模式下列车牵引力可以使列车在5‰上坡起动。

2.2 蓄电池牵引能耗仿真

在AW0载荷、5‰坡道上，运行1000m的相关特性曲线如图3和图4所示。

在蓄电池牵引模式下，主电路最大输入电流约为477A，在最大坡道5‰运行的等效平均电流为182A，而牵引系统电路的额定电流值为450A以上，因此牵引系统可以满足蓄电池牵引功能需求。

通过仿真计算，可知在AW0载荷、5‰坡道上，运行1000m的工况下，列车的运行时间为913s，旅行速度为3.99Km/h，主电路等效输入电流为182A（峰值477A），电机等效电流为92.56A，总能耗为8.12kwH。

3 蓄电池选型

目前，地铁列车用蓄电池主要包括胶体铅酸蓄电池及纤维结构电极式镍镉电池，如果按电解液分，前者属于酸性电池，后者属于碱性电池。本文以HOPPECKE公司的FNC镍镉电池与铅酸电池的做对比，综合考虑蓄电池的性能、成本、维护量，选用了HOPPECKE公司的FNC 160 HR2+电池，其基本参数如表1所示。

4 蓄电池容量计算

根据要求，车辆需满足以蓄电池牵引模式在5‰坡道运行1000m，根据此要求可计算蓄电池容量如下：

（1）在应急牵引工况下，整列车牵引主电路直流侧能耗约为8.12kWh，运行时间为913s，峰值电流为477A（放电时间4s），列车的负载是：8.12*1000/（913/60/60）=32018W，半列车的负载是16009W。

（2）蓄电池组的放电终止电压为：1.07×84=90V。

（3）放电电流为：I=P/V=16009/（（100.8+90）/2）=167.8A。

（4）列车需要消耗的蓄电池的容量为：C2=（913/60/60）*167.8=42.56Ah。

（5）蓄电池充电效率系数为0.9，蓄电池老化系数为0.9，温度大电流放电合并系数为0.65，则应急牵引下每组蓄电池容量应为：C=C2/（0.9*0.9*0.65）=80.7Ah。

（6）紧急负载，放电时间913s，列车需要消耗的蓄电池的容量为：C3=913/60/60*122.73=31.13Ah。

（7）紧急负载每组蓄电池容量应为：C=C3/（0.9*0.9* 0.888）=43.27Ah。

（8）应急牵引下蓄电池的容量应为应急牵引所需容量与紧急负载容量之和应急牵引下蓄电池的容量：80.7+43.27 =124Ah。

考虑到一定裕量，本项目最终选择160Ah的蓄电池，单节电池标称电压为1.2V，整组电池总数量为84节。

5 试验

经试验验证列车以速度3km/h在平时轨道上运行300m时，蓄电池电压保持在100V以上；在5‰坡道可运行1000m以上，达到预期设计目的。

6 结语

蓄电池牵引技术在地铁列车上有很好的应用前景，不仅可以提高正线接触轨故障情况下的应急处理效率，还能减少公铁两用车的数量，同时也大力的地节省了人力成本，具有较大的實用意义。通过在武汉7项目上的成功应用，也证实了本方案的有效性。

参考文献

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