無人駕駛列車蓄電池電壓監(jiān)測和保護(hù)的研究

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

無人駕駛作為城市軌道交通最重要的發(fā)展方向之一，近年逐漸成為各地軌道交通建設(shè)首選方案，目前國內(nèi)在建的無人駕駛地鐵線路超過15條，占新開工建設(shè)線路50%以上。相比有人駕駛，無人駕駛從車地機(jī)電設(shè)備、運(yùn)營管理到維保均有很大不同。如列車喚醒功能，有人駕駛模式下是由司機(jī)發(fā)出喚醒命令，無人駕駛則是由OCC遠(yuǎn)程喚醒。但若車輛長期停放后，由于蓄電池本身老化或部分設(shè)備持續(xù)耗電等因素，可能使得無人駕駛列車車載蓄電池饋電，從而導(dǎo)致列車無法被遠(yuǎn)程喚醒。

為了解決該問題，本文主要對有人駕駛的低壓喚醒回路進(jìn)行研究，并根據(jù)無人駕駛的場景需求，提出針對性的解決方案。

1 蓄電池監(jiān)測傳統(tǒng)方案

1.1 有人駕駛蓄電池監(jiān)測傳統(tǒng)方案

地鐵車輛低壓供電的負(fù)載一般分永久負(fù)載和常規(guī)負(fù)載。絕大部分設(shè)備如牽引控制單元、制動控制單元、蓄電池充電機(jī)控制單元、照明等均為常規(guī)負(fù)載，常規(guī)負(fù)載需要在列車喚醒以后才能得到供電，而用于控制列車喚醒的回路則為永久負(fù)載。

1)永久負(fù)載在任何時候(包括休眠狀態(tài))都被接入蓄電池的供電回路中，以保證隨時可以喚醒列車。對于無人駕駛列車，除了喚醒控制回路以外，車載ATC的喚醒模塊也為永久負(fù)載。

2)常規(guī)負(fù)載僅在列車喚醒以后才能得到供電，常規(guī)負(fù)載受電成功以后才稱為喚醒成功。

同時，為了保護(hù)車載蓄電池，避免其饋電影響使用壽命，還設(shè)置了蓄電池欠壓保護(hù)系統(tǒng)，并被用于常規(guī)負(fù)載的控制。即常規(guī)負(fù)載的得電條件除了列車喚醒以外，還需要車載蓄電池電壓正常。目前典型的常規(guī)有人駕駛列車的低壓供電回路如圖1所示。

圖1 有人駕駛列車的一種蓄電池供電回路

如圖1所示，其車載蓄電池保護(hù)電壓為84 V(84 V為一個典型值，根據(jù)蓄電池選型不同可能有細(xì)微差別)，即車載蓄電池電壓低于84 V時，欠壓保護(hù)繼電器失電，其觸點(diǎn)11&14斷開，則常規(guī)負(fù)載”接觸器無法得電，其觸點(diǎn)不能閉合，蓄電池輸出的DC110 V無法到達(dá)低壓供電母線，常規(guī)負(fù)載不能得電。

對于一般有人駕駛的車輛休眠以后，在車載蓄電池電壓正常的情況下，此時“欠壓保護(hù)”得電，其觸點(diǎn)11&14閉合，司機(jī)可操作喚醒開關(guān)使得喚醒回路工作，使“列車喚醒”繼電器得電，其觸點(diǎn)43&44閉合，則“常規(guī)負(fù)載”接觸器得電，其觸點(diǎn)1&2閉合，使得列車常規(guī)負(fù)載母線得電，常規(guī)負(fù)載受電成功，完成喚醒過程。

1.2 傳統(tǒng)方案的缺點(diǎn)

正常情況下，無人駕駛列車休眠后，可通過車載信號系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制列車喚醒，無需上車操作。

但若列車停放時間過長，或蓄電池顯著老化導(dǎo)致容量降低等因素，加上休眠期間永久負(fù)載的持續(xù)消耗，則可能發(fā)生車載蓄電池嚴(yán)重饋電，以致電壓低于84 V的情況。此時，若仍然采用上述2種方案，將導(dǎo)致休眠的列車無法正常喚醒。也即現(xiàn)有方案存在以下問題。

1)蓄電池有饋電的風(fēng)險(xiǎn)，并影響蓄電池使用壽命。

2)蓄電池饋電以后導(dǎo)致列車無法遠(yuǎn)程喚醒，影響列車使用率。

2 無人駕駛新方案的研究

為了解決以上問題，現(xiàn)提出一種對蓄電池電壓進(jìn)行分級監(jiān)視和保護(hù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用2個欠壓保護(hù)繼電器對蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控，對應(yīng)的保護(hù)電壓分別為Ua，Ub，且Ua>Ub，具體取值根據(jù)蓄電池類型和容量確定。當(dāng)電壓達(dá)低于2種不同的保護(hù)電壓時，將分別設(shè)置不同的對應(yīng)措施。

系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 一種電壓分級監(jiān)視功能的蓄電池供電回路

圖3 低壓監(jiān)視和ATC喚醒控制回路

增加設(shè)置一個低壓保護(hù)繼電器，低壓保護(hù)繼電器的觸點(diǎn)被車載ATC監(jiān)控，如圖2和圖3所示。當(dāng)蓄電池電壓下降到Ua時，此時“欠壓保護(hù)”繼電器還未失電，欠壓保護(hù)還未起作用，但“低壓保護(hù)”繼電器已經(jīng)失電，其觸點(diǎn)動作并被車載ATC監(jiān)視到。

車載ATC系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)好的控制邏輯，控制其內(nèi)部“ATC遠(yuǎn)程喚醒”繼電器觸點(diǎn)閉合，使得“列車喚醒”繼電器得電，并喚醒列車，使常規(guī)負(fù)載工作。此時蓄電池充電機(jī)獲得控制電，可以輸出DC110V對蓄電池充電，使得蓄電池電壓回升。

根據(jù)蓄電池容量和充電電流等特性，ATC系統(tǒng)可預(yù)設(shè)充電時間t，當(dāng)蓄電池電壓恢復(fù)正常以后，車載ATC可以控制列車喚醒繼電器失電使列車休眠，也可以等待其他命令。

通過該方案的實(shí)施，可以從根本上避免車載蓄電池深度饋電，有效提高蓄電池使用壽命；并且由于任何時候蓄電池電壓不會降低到欠壓保護(hù)系統(tǒng)動作，確保了無人駕駛列車在任何時候都能夠投入運(yùn)用，有效提高了列車的使用率。

3 結(jié)語

蓄電池監(jiān)測和保護(hù)的新方案避免了無人駕駛列車在休眠時其車載蓄電池電壓持續(xù)下降的問題，從根本上解決了由于欠壓保護(hù)動作導(dǎo)致無法喚醒的問題，有效提高了列車使用率，降低了無人駕駛列車的運(yùn)營成本。同時，該方案也避免了車載蓄電池饋電，有利于蓄電池的保養(yǎng)，解決了饋電導(dǎo)致的蓄電池加速老化的問題。

本方案可以為后續(xù)無人駕駛項(xiàng)目車輛電氣設(shè)計(jì)和信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。