城市轨道交通车辆应急供电系统研究*

王 通 杨 阳 张国红 于 爽

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，266031，青岛∥第一作者，工程师)

截至2021年底，中国内地累计有50个城市开通了城市轨道交通运营线路(共283条)，总长度达9 206.8 km，其涵盖地铁、轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁浮交通、APM(自动旅客运输)系统等，运营规模继续保持高增长势头[1]。牵引供电系统作为城市轨道交通的重要组成部分，其在设计、建设和运营中虽能保证足够的安全性和可靠性，但仍无法避免由于供电系统故障、弓网故障和自然灾害等因素而造成城市轨道交通车辆供电短时中断、线路停运等问题。特别是对在隧道中运行线路而言，应急供电对保障线路正常运营、人员及时疏散等会造成较大影响[2]。

针对上述问题，常规的处理方式为运营单位派出工程拖车对故障车辆进行救援，其耗时较长，是一种被动的应急救援方式。若城市轨道交通车辆能通过车载电池储能系统来实现应急自供电，使迫停于区间的列车能够自行牵引，同时保证城市轨道交通车辆应急辅助供电，则可有效解决因列车不能受电引起的救援问题。这是一种主动的应急救援方式。与此同时，城市轨道交通车辆应急供电系统在线路供电正常时可扩展为其他应用，比如满足城市轨道交通车辆在车辆段、试车线和停车库内等无网区的调车需求，从而节省了接触网或第三轨供电的建设。

1 城市轨道交通车辆应急供电系统应用现状

目前，我国内地已有部分线路的城市轨道交通车辆逐步开始装载应急供电系统。城市轨道交通应急供电系统的应用现状统计如表1所示。装载该系统的城市轨道交通车辆涵盖常见的A型车、B型车，其储能形式既包括城市轨道交通车辆自带的碱性电池及铅酸电池，还包括能量密度和功率密度均较大的锂电池[3]。电池电压等级是根据车辆牵引供电电压的不同，从DC 110 V至更高的电压不等。城市轨道交通车辆的应急供电能力与其配置的储能电量、功率有关。同样体积下，配置锂电池可满足城市轨道交通车辆正线牵引以及停车库内调车的较长距离需求，且具备较高的行车速度，可牵引载荷较大的城市轨道交通车辆，使用寿命也较长；而配置碱性电池、铅酸电池则由于能量密度和功率密度均偏低，使用寿命较短[4]，一般仅适用于停车库内调车的平直道工况，且车速较慢、可牵引的车辆载荷较小[5]。

表1 我国内地城市轨道交通应急供电系统的应用现状统计Tab.1 Statistics of application status of domestic urban rail transit emergency power supply system

2 城市轨道交通车辆应急供电系统设计

基于城市轨道交通牵引供电系统的供电制式，即DC 750 V / 1 500 V供电电压等级[6]，设计了以下4种应急供电系统，并进行了对比分析。

2.1 采用110 V电池的应急供电系统

图1 城市轨道交通车辆车载110 V蓄电池箱的应急供电系统改造Fig.1 Emergency power supply system reconstruction of urban rail transit vehicle on-board 110 V battery

如图1所示，对城市轨道交通车辆车载110 V蓄电池箱的应急供电系统进行改造。在城市轨道交通车辆正常运行时，断开开关K，蓄电池处于浮充状态，并保持满电；在城市轨道交通车辆需要应急供电时，闭合开关K，蓄电池接入牵引主回路。该设计的供电电压等级低，电池组输出电流大，致使电机处于低压下发热严重，进而造成牵引效率较低；同时，受限于电池组(镍镉电池、铅酸电池)的化学特性，一方面放电倍率不足，无法提供持续大功率输出，另一方面循环寿命短，经多次较大倍率放电后寿命衰减明显，因此适用于牵引距离短、牵引功率小、牵引速度慢、应急供电使用不频繁的场合。

2.2 采用电池和充电机的应急供电系统

如图2所示，车辆增加电池箱和专用充电机，在车辆正常运行时，断开开关K，充电机给电池箱补电；在需要应急供电时，闭合开关K，电池箱接入牵引主回路。该设计与图1对比不同的是电池箱电压可进行配置提升，以满足DC 750 V / 1 500 V的供电电压等级。考虑到电池组的耐压安全性，一般配置电压为DC 300 ～ 800 V。选择能量密度与功率密度较大的锂电池，可满足较远距离的应急牵引，并可以频繁使用，牵引效率得以大大提高。由于此种应急供电系统的电压等级提升，无法借助车上原有的110 V充电机进行充电，须配置专用充电机，增加了一定的空间与成本。

图2 采用电池和专用充电机的应急供电系统

2.3 采用电池和双向AC/DC的应急供电系统

如图3所示，车辆增加电池箱和AC/DC双向变流模块，在车辆正常运行时，断开开关K，电池箱借助车辆AC 380 V通过AC/DC模块实现补电；在需应急供电时，闭合开关K，电池箱接入牵引主回路，同时通过AC/DC模块实现逆变提供AC 380 V。该设计可在应急牵引供电时提供整车的交流用电，以满足通风、空调、冷却等客室紧急用电。其电池箱电压等级一般为DC 600～800 V，具备较高的牵引效率。由于该应急供电系统配置了AC/DC双向变流模块，也增加了一定的体积和成本。

图3 采用电池和AC/DC的应急供电系统

2.4 采用电池和双向DC/DC的应急供电系统

如图4所示，车辆增加电池箱和DC/DC双向变流模块。在车辆正常运行时闭合开关K，电池箱通过DC/DC模块降压充电，同时实现制动能量回收，存储的电能在车辆牵引时通过DC/DC模块升压放出，实现节能效果；在需要应急供电时，闭合开关K，电池箱通过DC/DC模块升压放电，电压等级达到车辆额定供电电压，牵引效率高，车辆辅助系统也可以正常工作。该设计既可提供应急牵引和辅助供电，也可实现制动能量的回收利用，大大提升了系统使用率，但也增加了一定的体积和成本。

图4 采用电池和DC/DC的应急供电系统

2.5 各种应急供电系统对比

对上述4种应急供电系统进行对比，如表2所示。实际情况下,应基于应用场合的不同，兼顾成本、改造难易等因素来选择合适的改造方案。

表2 城市轨道交通车辆应急供电系统对比Tab.2 Comparison of urban rail transit emergency power supply system

3 城市轨道交通车辆应急供电的整车配合

城市轨道交通车辆在应急供电工况下，需要整车多个系统设备的协调配合，其基本控制逻辑如图5所示。

图5 城市轨道交通车辆应急供电控制逻辑

1) 司机室确认车辆完全停车、车况信息正常后，按下应急供电投入按钮，VCU进入应急供电控制模式。

2) VCU确认HB处于断开位置后，向应急供电系统下发开关闭合命令。

3) VCU调整牵引为电池牵引特性，调整制动为纯空气制动，调整辅助系统降载，网络系统保持与VCU的实时信息交换。

4) 车辆到达指定位置后停车，司机室退出应急供电按钮，VCU退出应急供电控制模式，应急供电系统开关断开。

4 结语

本文分析了我国内地城市轨道交通车辆应急供电系统的应用情况，设计研究了4种不同应急供电系统，对比分析了不同系统的原理特点，并考虑了应急供电下的整车控制配合。随着标准化地铁列车、智慧化城市轨道交通车辆的设计推广，应急供电系统对提升车辆应急救援能力、探索新节能方式具有重要意义。