昆明地鐵4號(hào)線車輛蓄電池牽引方案研究

潘文凱

(云南京建軌道交通投資建設(shè)有限公司 云南 昆明 650000)

0 前言

目前，城市軌道交通車輛的行駛依賴于第三軌(或接觸網(wǎng))供電，這樣大大限制了斷電情況下調(diào)車的靈活性[1-2]。蓄電池牽引是在車輛外部無法正常供電或通過第三軌斷電區(qū)情況下利用車載蓄電池組自行牽引的方案[3-6]。昆明地鐵4號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“4號(hào)線”)車輛采用接觸軌DC1 500 V供電，均衡修庫(kù)內(nèi)不設(shè)接觸軌，出入庫(kù)時(shí)采用滑觸線供電的方式來牽引列車。這種供電方式存在檢修人員工作量大、效率低等問題，同時(shí)存在觸電等安全隱患[5]。

蓄電池牽引是昆明軌道交通中首次采用的牽引方式，具有靈活高效的優(yōu)點(diǎn)。該方式可以消除車輛出入庫(kù)時(shí)的安全隱患，解決檢修人員操作復(fù)雜、效率低等弊端。在正線運(yùn)行時(shí)，車輛通過三軌無電區(qū)能力增加，且可以實(shí)現(xiàn)正線救援，使車輛行駛至附近車站疏散乘客，提高運(yùn)營(yíng)效率[7]。本文針對(duì)4號(hào)線車輛蓄電池牽引的需求設(shè)計(jì)了一種蓄電池牽引方案，并通過仿真分析驗(yàn)證了方案的合理性，最后根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)蓄電池容量作了計(jì)算和選型，使其滿足于4號(hào)線的使用需求。

1 蓄電池牽引方案分析

4號(hào)線自陳家營(yíng)站起至終點(diǎn)昆明火車南站，全長(zhǎng)約43.391 km，其中高架線長(zhǎng)度約3.7 km，地面線約0.8 km，地下線約38.891 km。全線共設(shè)車站29座，其中高架站3座、地下站26座。主變電所3座(新建麻苴主變電所)，在大漾田設(shè)車輛段，在白龍?zhí)逗蛷V衛(wèi)設(shè)停車場(chǎng)，同時(shí)在廣衛(wèi)停車場(chǎng)(跑馬山)設(shè)大架修基地。

1.1 車輛概述

4號(hào)線車輛采用6編組B1型車(4動(dòng)2拖)，編組形式為：-Tc*M*M-M*M*Tc-，其中：Tc為帶司機(jī)室的拖車，M為不帶司機(jī)室的動(dòng)車，-為半自動(dòng)車鉤，*為半永久車鉤)。

車輛在正線運(yùn)行時(shí)，采用接觸軌下部供電方式；庫(kù)內(nèi)檢修及調(diào)車時(shí)，采用滑觸線供電或蓄電池牽引。牽引系統(tǒng)采用VVVF逆變器控制的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)(190 kW)構(gòu)成的車控式交流傳動(dòng)系統(tǒng)。車輛最高運(yùn)行速度為100 km/h(構(gòu)造速度110 km/h)，與牽引系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4號(hào)線車輛牽引系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 蓄電池牽引方案設(shè)計(jì)

1.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)昆明市的地理?xiàng)l件，結(jié)合4號(hào)線工程的線路條件與車輛參數(shù)等確定蓄電池牽引的設(shè)計(jì)目標(biāo)：AW0載荷列車依靠自身蓄電池動(dòng)力(無接觸軌、車間電源)在車輛基地庫(kù)內(nèi)移動(dòng)1 000 m(坡度≤2‰)。蓄電池牽引時(shí)可以不考慮同時(shí)滿足45 min負(fù)載緊急供電要求。

1.2.2方案設(shè)計(jì)

(1)主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)列車的高壓電源電路圖，在M1車設(shè)有用于蓄電池牽引的接觸器箱，當(dāng)列車在無DC1 500 V高壓輸入的情況下，通過激活司機(jī)室的蓄電池牽引功能按鈕/開關(guān)，使?fàn)恳到y(tǒng)由車載蓄電池(DC110 V)供電并驅(qū)動(dòng)列車行駛。列車用蓄電池牽引充分考慮了蓄電池的壽命，進(jìn)行45 min緊急負(fù)載供電和使用蓄電池牽引后，蓄電池電量可以通過車載蓄電池充電機(jī)恢復(fù)。

(2)特性設(shè)計(jì)

應(yīng)急牽引電壓：DC88V ～ DC113 V；計(jì)算輪徑(新輪)：840 mm；齒輪傳動(dòng)比：6.3333；車輛自重：Tc車為33 t，M1/M2車為34.5 t；運(yùn)行速度：0～ 4 km/h；蓄電池配置：車輛設(shè)置兩組蓄電池，每組蓄電池分別為一輛動(dòng)車供電；齒輪的傳動(dòng)效率(計(jì)算用值)：0.98；列車在新輪徑、AW0載荷及蓄電池DC88 V～DC137 V條件下，列車最大起動(dòng)輪緣牽引力：Fst=50 kN；每根動(dòng)軸的最大起動(dòng)輪緣牽引力為6.25 kN(兩節(jié)動(dòng)車)；恒牽引力速度范圍：0 ～ 1 km/h；恒功率速度范圍：1 ～ 4 km/h；牽引電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為405 N·m。

在網(wǎng)壓為DC88 V ～ DC137 V時(shí)，牽引特性不變；在網(wǎng)壓小于DC88 V時(shí)，蓄電池牽引不可用，牽引特性曲線如圖1所示。

圖1 蓄電池牽引特性曲線

(3)控制方案設(shè)計(jì)

蓄電池牽引模式的轉(zhuǎn)換需要由TCMS(列車控制及監(jiān)控系統(tǒng))、DCU(牽引系統(tǒng)控制單元)和SIV(靜止逆變器裝置)共同配合實(shí)現(xiàn)。TCMS主要負(fù)責(zé)傳遞“蓄電池牽引-預(yù)備”信號(hào)、“蓄電池牽引”信號(hào)及判斷整車是否符合進(jìn)入蓄電池牽引的條件。DCU主要負(fù)責(zé)判斷本節(jié)車牽引系統(tǒng)是否符合進(jìn)入蓄電池牽引的條件，并執(zhí)行蓄電池牽引程序及相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，故障判斷。SIV負(fù)責(zé)執(zhí)行TCMS發(fā)出的指令并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)程序。

蓄電池牽引控制方案的原理框圖如圖2所示，下面對(duì)原理框圖進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

圖2 蓄電池牽引原理框圖

①司機(jī)室操作臺(tái)上設(shè)置有“蓄電池牽引模式”選擇開關(guān)，司機(jī)在列車靜止后，將選擇開關(guān)打到閉合位。② TCMS在收到“蓄電池牽引模式”高電平有效信號(hào)后，首先判斷以下車輛信號(hào)的狀態(tài)：列車零速信號(hào)有效、三位置隔離開關(guān)處于運(yùn)行位、VVVF及SIV通訊正常、蓄電池電壓值大于88 V且小于137 V。當(dāng)所有狀態(tài)滿足時(shí)，TCMS向所有DCU及SIV發(fā)送“蓄電池牽引-預(yù)備”信號(hào)并保持，如有任意一條不滿足要求，則HMI顯示“無法進(jìn)入蓄電池牽引模式”。③SIV接收到TCMS發(fā)送的“蓄電池牽引-預(yù)備”信號(hào)后立即停機(jī)，待“蓄電池牽引-預(yù)備”信號(hào)撤消并接收到“SIV啟動(dòng)”信號(hào)后才能重啟啟動(dòng)。④ DCU接收到TCMS發(fā)送的“蓄電池牽引-預(yù)備”信號(hào)后，分?jǐn)嗨懈咚贁嗦菲?同時(shí)屏蔽合高速斷路器命令)、接觸器。高速斷路器斷開后開啟斬波，并判斷逆變器狀態(tài)正常后發(fā)送“蓄電池牽引-ok”信號(hào)。⑤TCMS系統(tǒng)判斷所有高速斷路器斷開，并收到兩M1車DCU發(fā)送的“蓄電池牽引-ok”信號(hào)后，則在HMI提示司機(jī)“進(jìn)入蓄電池牽引模式-請(qǐng)確認(rèn)”，待司機(jī)點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕后，給兩節(jié)M1車DCU發(fā)送“進(jìn)入蓄電池牽引”信號(hào)，如有任意一條不滿足要求，則HMI顯示“無法進(jìn)入蓄電池牽引模式”。⑥D(zhuǎn)CU在高速斷路器斷開狀態(tài)，接收到TCMS發(fā)送的“進(jìn)入蓄電池牽引”信號(hào)后，閉合蓄電池接觸器KM1、KM2，并收到TCMS發(fā)送的方向和級(jí)位手柄操作信號(hào)后執(zhí)行牽引程序及相應(yīng)的保護(hù)邏輯。⑦TCMS接收到“列車總牽引力大于10 kN”信號(hào)后，發(fā)出“停放制動(dòng)緩解”信號(hào)，列車停放制動(dòng)緩解并開始運(yùn)行。⑧列車在制動(dòng)工況下，只執(zhí)行空氣制動(dòng)。列車速度小于1 km/h時(shí)，TCMS發(fā)出“停放制動(dòng)”信號(hào)，制動(dòng)系統(tǒng)開始施加停放制動(dòng)。⑨車輛到達(dá)指定位置后，在列車停車狀態(tài)，司機(jī)操作“蓄電池牽引模式”選擇開關(guān)至分位。

另外，TCMS在蓄電池模式開關(guān)斷開后，才可以識(shí)別其他運(yùn)行模式，如洗車模式。DCU及SIV在“蓄電池牽引-預(yù)備”及“蓄電池牽引信號(hào)”撤消后才可以進(jìn)入正常運(yùn)行模式。DCU在“蓄電池牽引-預(yù)備”及“蓄電池牽引信號(hào)”撤消后才可以再次閉合高速斷路器、緊急牽引模式。DCU在收到緊急牽引模式時(shí)停機(jī)斷開蓄電池接觸器BLB1、BLB2。

2 仿真分析

根據(jù)上述蓄電池牽引方案并結(jié)合4號(hào)線車輛參數(shù)和實(shí)際線路情況，利用軌道交通牽引計(jì)算及仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，其中仿真參數(shù)設(shè)置如下：

車輛自重：Tc車33 t，M車34.5 t；輪徑：840 mm；齒輪傳動(dòng)比：6.333；車輛載荷：AW0；線路坡度：2‰；行駛距離：1 000 m；蓄電池電壓(恒定值)：90 V(實(shí)際中大于90 V)。

列車時(shí)間-速度曲線如圖3所示。由圖可知，列車運(yùn)行最大速度為4 km/h，從零加速到4 km/h運(yùn)行時(shí)間約為17.5 s，加速度約為0.07 m/s2，制動(dòng)時(shí)減速度約為0.5 m/s2，在2‰坡度的軌道上運(yùn)行1 000 m需要905.5 s。

圖3 列車時(shí)間-速度曲線

列車?yán)锍?電流曲線、時(shí)間-功率曲線如圖4所示，電流和功率分別主電路的輸入電流和輸入功率。由圖可知，列車在起動(dòng)時(shí)輸入電流有一個(gè)較大的超調(diào)量，然后穩(wěn)定在272 A左右，平均輸入功率約46 kW。

圖4 列車電流與功率曲線

3 蓄電池容量選型

根據(jù)前面的分析和仿真結(jié)果，應(yīng)急牽引1 000 m負(fù)載如表2所示。以下將分應(yīng)急牽引1 000 m(同時(shí)應(yīng)急供電)和應(yīng)急供電45 min兩種情況對(duì)蓄電池容量進(jìn)行計(jì)算。

表2 牽引1 000 m和應(yīng)急供電負(fù)載情況

3.1 牽引工況蓄電池容量計(jì)算

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)和蓄電池的特性計(jì)算蓄電池的只數(shù)和容量。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)[8-10]，蓄電池的浮充電電壓按1.42 V/只計(jì)算，蓄電池的只數(shù)按84只計(jì)算，則浮充電電壓為119.28 V。

(1)緊急牽引1 000 m前17.5 s

由單組仿真數(shù)據(jù)計(jì)算需要凈容量C1為∑Iit=1.995 2 Ah；

每套蓄電池最大牽引電流為474.97 A。

(2)緊急牽引1 000 m后888 s

由單組仿真數(shù)據(jù)計(jì)算需要凈容量C2為∑Iit=67.133 5 Ah；

每套蓄電池牽引電流為272.17 A。

(3)牽引1 000 m同時(shí)應(yīng)急供電905.5 s

每套蓄電池組的平均應(yīng)急放電電流和功率/蓄電池組的平均放電電壓相等，即：22 kW/(84×1.0 V)/2≈131 A。每組蓄電池供電905.5 s需要凈容量C3=33 Ah。

蓄電池牽引前17.5 s放電最大電流為：606 A；后888 s電流為403.2 A?？紤]放電倍率系數(shù)，列車要求蓄電池提供的容量為C0=C1/0.85+C2/0.9+C3/0.9≈113.7 Ah?？紤]浮充充電效率、低溫下的放電效率及使用壽命12年老化系數(shù)等影響因素，并考慮到蓄電池容量的額外裕度，蓄電池實(shí)際容量為：C=C0/Kt/η/a=171.4 Ah。

其中：C0為不考慮任何影響系數(shù)下的蓄電池經(jīng)容量，113.7 Ah；Kt為蓄電池在-10 ℃條件下放電的容量修正系數(shù)，0.85；η為蓄電池的充電效率，0.9；a為蓄電池老化修正系數(shù)，0.867。

3.2 應(yīng)急供電45 min容量計(jì)算

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，列車緊急供電時(shí)蓄電池需要提供的功率為22 kW。蓄電池組的平均放電電流約為232.8 A。蓄電池緊急供電45 min需要的凈容量C0=174.6 Ah。考慮浮充充電效率、低溫下的放電效率及使用壽命老化系數(shù)等影響因素，蓄電池實(shí)際容量為C=C0/Kt/η/a=292.5 Ah。每列車用兩組蓄電池，則每一組蓄電池容量為146.2 Ah。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用較大容量的計(jì)算結(jié)果并考慮了一定的余量，本項(xiàng)目每套DC110 V蓄電池組采用額定容量為180 Ah的鉻鎳堿性蓄電池組，蓄電池的型號(hào)為GMH180-(2)，每組84只，每列車2組并聯(lián)使用，完全滿足4號(hào)線蓄電池牽引的容量需求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)昆明地鐵4號(hào)線車輛蓄電池牽引的需求，結(jié)合其車輛的技術(shù)特點(diǎn)和線路特性，對(duì)蓄電池牽引方案進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，并通過軌道交通牽引計(jì)算及仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真，最后根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算出蓄電池容量，最終選用容量為180 Ah的鉻鎳堿性蓄電池。經(jīng)驗(yàn)證該方案完全滿足4號(hào)線車輛蓄電池牽引1 000 m的需求，并對(duì)提高列車運(yùn)營(yíng)效率提供了極大幫助。