无人驾驶列车蓄电池电压监测和保护的研究
2020-01-08
(1.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001；2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001)
0 引言
无人驾驶作为城市轨道交通最重要的发展方向之一，近年逐渐成为各地轨道交通建设首选方案，目前国内在建的无人驾驶地铁线路超过15条，占新开工建设线路50%以上。相比有人驾驶，无人驾驶从车地机电设备、运营管理到维保均有很大不同。如列车唤醒功能，有人驾驶模式下是由司机发出唤醒命令，无人驾驶则是由OCC远程唤醒。但若车辆长期停放后，由于蓄电池本身老化或部分设备持续耗电等因素，可能使得无人驾驶列车车载蓄电池馈电，从而导致列车无法被远程唤醒。
为了解决该问题，本文主要对有人驾驶的低压唤醒回路进行研究，并根据无人驾驶的场景需求，提出针对性的解决方案。
1 蓄电池监测传统方案
1.1 有人驾驶蓄电池监测传统方案
地铁车辆低压供电的负载一般分永久负载和常规负载。绝大部分设备如牵引控制单元、制动控制单元、蓄电池充电机控制单元、照明等均为常规负载，常规负载需要在列车唤醒以后才能得到供电，而用于控制列车唤醒的回路则为永久负载。
1)永久负载在任何时候(包括休眠状态)都被接入蓄电池的供电回路中，以保证随时可以唤醒列车。对于无人驾驶列车，除了唤醒控制回路以外，车载ATC的唤醒模块也为永久负载。
2)常规负载仅在列车唤醒以后才能得到供电，常规负载受电成功以后才称为唤醒成功。
同时，为了保护车载蓄电池，避免其馈电影响使用寿命，还设置了蓄电池欠压保护系统，并被用于常规负载的控制。即常规负载的得电条件除了列车唤醒以外，还需要车载蓄电池电压正常。目前典型的常规有人驾驶列车的低压供电回路如图1所示。
图1 有人驾驶列车的一种蓄电池供电回路
如图1所示，其车载蓄电池保护电压为84 V(84 V为一个典型值，根据蓄电池选型不同可能有细微差别)，即车载蓄电池电压低于84 V时，欠压保护继电器失电，其触点11&14断开，则常规负载”接触器无法得电，其触点不能闭合，蓄电池输出的DC110 V无法到达低压供电母线，常规负载不能得电。
对于一般有人驾驶的车辆休眠以后，在车载蓄电池电压正常的情况下，此时“欠压保护”得电，其触点11&14闭合，司机可操作唤醒开关使得唤醒回路工作，使“列车唤醒”继电器得电，其触点43&44闭合，则“常规负载”接触器得电，其触点1&2闭合，使得列车常规负载母线得电，常规负载受电成功，完成唤醒过程。
1.2 传统方案的缺点
正常情况下，无人驾驶列车休眠后，可通过车载信号系统实现远程控制列车唤醒，无需上车操作。
但若列车停放时间过长，或蓄电池显著老化导致容量降低等因素，加上休眠期间永久负载的持续消耗，则可能发生车载蓄电池严重馈电，以致电压低于84 V的情况。此时，若仍然采用上述2种方案，将导致休眠的列车无法正常唤醒。也即现有方案存在以下问题。
1)蓄电池有馈电的风险，并影响蓄电池使用寿命。
2)蓄电池馈电以后导致列车无法远程唤醒，影响列车使用率。
2 无人驾驶新方案的研究
为了解决以上问题，现提出一种对蓄电池电压进行分级监视和保护的系统。该系统使用2个欠压保护继电器对蓄电池电压进行监控，对应的保护电压分别为Ua，Ub，且Ua>Ub，具体取值根据蓄电池类型和容量确定。当电压达低于2种不同的保护电压时，将分别设置不同的对应措施。
系统电路图如图2所示。
图2 一种电压分级监视功能的蓄电池供电回路
图3 低压监视和ATC唤醒控制回路
增加设置一个低压保护继电器，低压保护继电器的触点被车载ATC监控，如图2和图3所示。当蓄电池电压下降到Ua时，此时“欠压保护”继电器还未失电，欠压保护还未起作用，但“低压保护”继电器已经失电，其触点动作并被车载ATC监视到。
车载ATC系统根据预设好的控制逻辑，控制其内部“ATC远程唤醒”继电器触点闭合，使得“列车唤醒”继电器得电，并唤醒列车，使常规负载工作。此时蓄电池充电机获得控制电，可以输出DC110V对蓄电池充电，使得蓄电池电压回升。
根据蓄电池容量和充电电流等特性，ATC系统可预设充电时间t，当蓄电池电压恢复正常以后，车载ATC可以控制列车唤醒继电器失电使列车休眠，也可以等待其他命令。
通过该方案的实施，可以从根本上避免车载蓄电池深度馈电，有效提高蓄电池使用寿命；并且由于任何时候蓄电池电压不会降低到欠压保护系统动作，确保了无人驾驶列车在任何时候都能够投入运用，有效提高了列车的使用率。
3 结语
蓄电池监测和保护的新方案避免了无人驾驶列车在休眠时其车载蓄电池电压持续下降的问题，从根本上解决了由于欠压保护动作导致无法唤醒的问题，有效提高了列车使用率，降低了无人驾驶列车的运营成本。同时，该方案也避免了车载蓄电池馈电，有利于蓄电池的保养，解决了馈电导致的蓄电池加速老化的问题。
本方案可以为后续无人驾驶项目车辆电气设计和信号系统设计提供参考。
