市域動(dòng)車組無網(wǎng)自走行技術(shù)的應(yīng)用

王子超 師 睿 姚海英 馬澤宇 馬彬睿 李 軍 吳 健

(1.中國中車長春軌道客車股份有限公司， 130062， 長春； 2.神州高鐵技術(shù)股份有限公司， 100044， 北京；2.北京北交新能科技有限公司， 100044， 北京； 4.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 100044， 北京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

隨著我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展，大型城市的軌道交通已由市區(qū)往郊區(qū)、市域延伸。而市域快軌線路因?yàn)檫B接中心城區(qū)和郊區(qū)，所以在線路設(shè)計(jì)中一般會(huì)存在隧道和分相區(qū)。雖然市域軌道在建設(shè)和運(yùn)營方面會(huì)考慮牽引供電的安全性和可靠性，但仍不可避免因供電系統(tǒng)故障、弓網(wǎng)故障、人為(恐怖)破壞、偶發(fā)因素、自然災(zāi)害等引起市域軌道車輛供電中斷或癱瘓。如果車輛停在隧道內(nèi)，極易引起恐慌，誘發(fā)次生災(zāi)害。當(dāng)車輛正常受電失敗時(shí)，利用無網(wǎng)自走行車載儲(chǔ)能系統(tǒng)將車輛牽引至最近車站，疏散乘客下車，能有效縮短整條線路恢復(fù)正常運(yùn)營應(yīng)急處置的時(shí)間，緩解乘客恐慌，減小社會(huì)輿論及社會(huì)關(guān)注度。近幾年，已有一些城市的部分地鐵線路增加了地鐵車輛的無網(wǎng)自走行功能，如天津地鐵2號(hào)線、5號(hào)線以及6號(hào)線2016年就在部分車輛上進(jìn)行了改造，增加了車輛的無網(wǎng)自走行功能。而市域動(dòng)車一般車輛網(wǎng)壓較高，車輛又較地鐵車輛重很多，所以市域動(dòng)車的無網(wǎng)自走行功能對(duì)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出及升壓裝置功率輸出要求就很高。綜合考慮性價(jià)比，提出一種適用于市域動(dòng)車無網(wǎng)自走行的解決方案很有必要。而基于無人駕駛技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)車輛在正常受電失敗后自動(dòng)進(jìn)入無網(wǎng)自走行模式，也需要綜合考慮車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)。

1 無網(wǎng)自走行需求

市域軌道交通大多采用交流25 kV、直流1 500 V兩種供電制式。不管哪種供電制式，都存在供電故障的情況，如主變電所故障、柔性架空接觸網(wǎng)移位或變形、牽引變電所故障、車輛誤停在分相區(qū)等。這些故障都會(huì)影響車輛的正常運(yùn)營，輕者影響乘客的正常出行，重者會(huì)造成乘客恐慌，引發(fā)社會(huì)輿論的關(guān)注。尤其對(duì)于存在長距離地下或隧道的線路，一旦車輛不能正常供給照明及通風(fēng)，將會(huì)給乘客帶來極大的心里恐慌。如果車輛能夠利用車載儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛的無網(wǎng)自走行，就能解決上述問題。

2 無網(wǎng)自走行系統(tǒng)方案

2.1 概述

車輛無網(wǎng)自走行功能的實(shí)現(xiàn)主要通過控制車載儲(chǔ)能系統(tǒng)、蓄電池牽引控制箱、牽引變流器以及AC/DC(交/直流電)雙向變流器的順序投入來實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)無網(wǎng)自走行模式下，車輛要與正常供電模式互鎖，并通過蓄電池牽引控制箱中的二極管防止正常網(wǎng)壓逆流至蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

無網(wǎng)自走行車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要綜合考慮整車安裝空間、最嚴(yán)苛的牽引工況、儲(chǔ)能系統(tǒng)的選型以及車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用率，實(shí)現(xiàn)無網(wǎng)自走行車載儲(chǔ)能系統(tǒng)方案最優(yōu)和利用率最大化。

以某市域線路為例，車輛采用6M2T8編組。為實(shí)現(xiàn)車輛的無網(wǎng)自走行功能，車輛設(shè)置兩組獨(dú)立的DC 600 V牽引蓄電池，并設(shè)置兩組獨(dú)立的牽引蓄電池雙向變流器。

正常牽引模式下，雙向AC/DC變流器將交流三相380 V電源整流為直流電源，并通過通訊與TCMS(列車監(jiān)控系統(tǒng))以及BMS(電池管理系統(tǒng))進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為牽引蓄電池系統(tǒng)充電。

無網(wǎng)自走行模式下，牽引蓄電池通過雙向變流器向AC 380 V母線提供電源，為牽引系統(tǒng)相關(guān)冷卻通風(fēng)負(fù)載以及空調(diào)、空壓機(jī)供電，同時(shí)通過牽引蓄電池開關(guān)箱接入牽引變流器中間直流母線，為M1和M4車上的牽引逆變器供電，供8臺(tái)牽引電機(jī)工作。

2.2 車輛無網(wǎng)自走行牽引仿真計(jì)算

2.2.1 最大牽引力計(jì)算

車輛參數(shù)如表1所示。

表1 車輛參數(shù)表

列車全運(yùn)行阻力Fr為各種阻力之和：

Fr=Frr+Frc+Frs

(1)

式中：

Fr——列車全運(yùn)行阻力；

Frr——運(yùn)行阻力；

Frc——曲線阻力；

Frs——坡道阻力。

1) 運(yùn)行阻力。運(yùn)行阻力Frr按Davis公式計(jì)算：

Frr=a+b·v+c·v2

(2)

式中：參數(shù)a、b和c取決于列車編組和載客情況。阻力系數(shù)參數(shù)如表2所示。取v=50 km/h,經(jīng)計(jì)算得，F(xiàn)rr=9.67 kN。

表2 阻力系數(shù)參數(shù)表

2) 坡道阻力。坡道阻力Frs按以下公式計(jì)算：

(3)

式中：

mstat——列車靜態(tài)質(zhì)量，取543 400 kg；

g——重力加速度，9.81 m/s2；

S——計(jì)算坡度，‰。

取S=0,代入式(3)計(jì)算得Frs=0 kN。

3) 曲線附加阻力。曲線附加阻力Frc與曲線半徑、列車速度、曲線外軌超高以及軌距加寬、車輛軸距等許多因素有關(guān)，計(jì)算時(shí)一般都采用經(jīng)驗(yàn)公式。參考中國鐵道出版社出版的《動(dòng)車組牽引計(jì)算與仿真系統(tǒng)》，又考慮動(dòng)車組全長在曲線內(nèi)，公式如下：

Frc=mstat(2 000/R)g

(4)

式中：

R——正線最小曲線半徑，m。

式(4)中，取R=600 m，計(jì)算得Frc=17.8 kN。故Fr=Frr+Frc+Frs=27.47 kN。

4) 根據(jù)公式F=m·a推導(dǎo)出：

(F-Frr-Frs-Frc)=m·a

(5)

式中：

F——車輛牽引力；

Frr——列車基本阻力;

Frs——線路坡道阻力;

Frc——線路曲線阻力;

m——列車動(dòng)態(tài)質(zhì)量，取575 880 kg；

a——加速度。

車輛在AW3(超載)狀態(tài)下，按照a=0.28 m/s2的啟動(dòng)加速度啟動(dòng)，車輛需要克服基本阻力、坡道阻力和曲線附加阻力。經(jīng)計(jì)算得F=188.7 kN。所以車輛最大牽引力設(shè)定在170 kN。牽引力特性曲線如圖1所示。

圖1 牽引力特性曲線

2.2.2 正線牽引仿真計(jì)算

正線上的車輛無網(wǎng)自走行仿真計(jì)算，按照車輛AW3載荷條件下平直道運(yùn)行15 km。牽引計(jì)算仿真結(jié)果如圖2所示。圖中，線路電流是全車總的牽引網(wǎng)側(cè)電流，是2個(gè)牽引蓄電池的總電流。

圖2 正線線路電流、線路功率與速度曲線

2.2.3 分相區(qū)牽引仿真計(jì)算

分相區(qū)的車輛無網(wǎng)自走行仿真計(jì)算按照車輛AW3載荷條件下20‰坡道運(yùn)行600 m。牽引計(jì)算仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 分相區(qū)線路電流、線路功率與速度曲線

2.2.4 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和電量需求分析

通過牽引仿真計(jì)算，可以得到對(duì)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和電量需求。具體需求如表3所示。

表3 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和電量統(tǒng)計(jì)表

綜合考慮兩種無網(wǎng)自走行的工況，每組車載儲(chǔ)能系統(tǒng)需要滿足以下要求：① 每組車載儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠承受的最大峰值電流≥860 A/2=430 A；② 每組車載儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠承受的持續(xù)平均電流≥734.4/2=367.2 A；③ 每組車載儲(chǔ)能系統(tǒng)額定電量≥101.2 kWh/2=50.6 kWh。因此，車輛可以配置兩組標(biāo)稱容量為80 Ah、額定電壓為DC 662.4 V、電量為52.9 kWh的鈦酸鋰電池，每組鈦酸鋰電池持續(xù)放電電流為400 A，峰值放電電流為560 A。這樣就能滿足上述無網(wǎng)自走行對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。

2.3 無網(wǎng)自走行車載儲(chǔ)能系統(tǒng)控制邏輯

2.3.1 無網(wǎng)自走行車載儲(chǔ)能系統(tǒng)投入條件

蓄電池牽引控制流程如圖4所示。

2.3.2 無網(wǎng)自走行車載儲(chǔ)能系統(tǒng)退出條件

以下條件任意一個(gè)出現(xiàn)，牽引蓄電池牽引指令將撤銷，蓄電池牽引使能信號(hào)復(fù)位，撤銷后復(fù)位電動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)：① 任意1臺(tái)牽引蓄電池啟動(dòng)信號(hào)置0；② 或者任意1臺(tái)牽引蓄電池“牽引蓄電池OK”信號(hào)置0；③ 或任意1臺(tái)牽引蓄電池?zé)o故障信號(hào)置1(1代表故障)。

圖4 蓄電池牽引控制流程

3 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池的選型

目前軌道交通行業(yè)車輛多數(shù)使用鎳鎘堿性電池，少數(shù)使用鉛酸電池。鈦酸鋰電池目前在CR400BF動(dòng)車組上作為輔助蓄電池批量應(yīng)用，部分也在地鐵車輛上使用。鉛酸蓄電池、鎳鎘堿性電池、鈦酸鋰電池的性能參數(shù)如表4所示。

表4 不同種類蓄電池性能參數(shù)

軌道交通車輛等車載儲(chǔ)能設(shè)備因?yàn)橐惭b在車輛上，安裝空間和質(zhì)量都有嚴(yán)格要求，而鈦酸鋰電池能量密度高，相同電量的蓄電池，鈦酸鋰電池要比堿性電池輕10%～20%。另一方面，軌道交通行業(yè)車輛的使用壽命一般為30 a，鈦酸鋰電池的長壽命特性也適合應(yīng)用在軌道交通車輛上。

鈦酸鋰電池配置電池管理系統(tǒng)后，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控蓄電池狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)整車。在蓄電池發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)還會(huì)切斷電路進(jìn)行保護(hù)，智能化程度更高。鈦酸鋰電池還具有免維護(hù)性，整個(gè)壽命周期只需要定期維護(hù)即可，不需要定期添加電解液和消除記憶效應(yīng)。這在很大程度上減輕了蓄電池的維護(hù)工作量。

鉛酸電池由于對(duì)溫度極為敏感，又考慮鉛污染問題，歐洲各國已禁止使用。鎳鎘電池由于鎘重金屬污染，歐洲禁止生產(chǎn)。鎳氫電池由于能量密度不高，評(píng)估為過渡產(chǎn)品。其他三元和磷酸鐵鋰等電池由于安全性能不高，所以不建議應(yīng)用在軌道交通行業(yè)。因此，從免維護(hù)、能量密度角度，鈦酸鋰電池是未來發(fā)展的方向。

4 系統(tǒng)利用率最大化

無網(wǎng)自走行車載儲(chǔ)能系統(tǒng)除了能滿足車輛受電失敗的應(yīng)急牽引之外，還能在車輛段內(nèi)使用。在車輛段區(qū)域內(nèi)，列車在進(jìn)行出入庫、調(diào)車、轉(zhuǎn)軌、自動(dòng)洗車等作業(yè)時(shí)，使用車載儲(chǔ)能系統(tǒng)供電牽引列車，無需電網(wǎng)供電。

另外，當(dāng)車輛輔助逆變器故障時(shí)，也可以通過投入牽引蓄電池和雙向變流器的方式來實(shí)現(xiàn)牽引蓄電池為車輛輔助負(fù)載供電。但是此種工作模式區(qū)別于車輛無網(wǎng)自走行模式，蓄電池牽引控制箱中的接觸器不需要閉合，鈦酸鋰車載儲(chǔ)能系統(tǒng)只需要為車輛輔助負(fù)載供電，雙向變流器工作在逆變模式。

5 結(jié)語

本文通過提出市域軌道車輛需要無網(wǎng)自走行的需求，進(jìn)而得出實(shí)現(xiàn)車輛無網(wǎng)自走行功能的解決方案。方案又從車載儲(chǔ)能系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、整車控制以及車載儲(chǔ)能系統(tǒng)選型等方面進(jìn)行了闡述和總結(jié)，為以后市域軌道交通車輛的無網(wǎng)自走行功能工程化打下了基礎(chǔ)。