城市軌道交通車輛應(yīng)急供電系統(tǒng)研究*

王 通 楊 陽 張國紅 于 爽

(中車青島四方車輛研究所有限公司，266031，青島∥第一作者，工程師)

截至2021年底，中國內(nèi)地累計有50個城市開通了城市軌道交通運營線路(共283條)，總長度達9 206.8 km，其涵蓋地鐵、輕軌、單軌、市域快軌、現(xiàn)代有軌電車、磁浮交通、APM(自動旅客運輸)系統(tǒng)等，運營規(guī)模繼續(xù)保持高增長勢頭[1]。牽引供電系統(tǒng)作為城市軌道交通的重要組成部分，其在設(shè)計、建設(shè)和運營中雖能保證足夠的安全性和可靠性，但仍無法避免由于供電系統(tǒng)故障、弓網(wǎng)故障和自然災(zāi)害等因素而造成城市軌道交通車輛供電短時中斷、線路停運等問題。特別是對在隧道中運行線路而言，應(yīng)急供電對保障線路正常運營、人員及時疏散等會造成較大影響[2]。

針對上述問題，常規(guī)的處理方式為運營單位派出工程拖車對故障車輛進行救援，其耗時較長，是一種被動的應(yīng)急救援方式。若城市軌道交通車輛能通過車載電池儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)應(yīng)急自供電，使迫停于區(qū)間的列車能夠自行牽引，同時保證城市軌道交通車輛應(yīng)急輔助供電，則可有效解決因列車不能受電引起的救援問題。這是一種主動的應(yīng)急救援方式。與此同時，城市軌道交通車輛應(yīng)急供電系統(tǒng)在線路供電正常時可擴展為其他應(yīng)用，比如滿足城市軌道交通車輛在車輛段、試車線和停車庫內(nèi)等無網(wǎng)區(qū)的調(diào)車需求，從而節(jié)省了接觸網(wǎng)或第三軌供電的建設(shè)。

1 城市軌道交通車輛應(yīng)急供電系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國內(nèi)地已有部分線路的城市軌道交通車輛逐步開始裝載應(yīng)急供電系統(tǒng)。城市軌道交通應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀統(tǒng)計如表1所示。裝載該系統(tǒng)的城市軌道交通車輛涵蓋常見的A型車、B型車，其儲能形式既包括城市軌道交通車輛自帶的堿性電池及鉛酸電池，還包括能量密度和功率密度均較大的鋰電池[3]。電池電壓等級是根據(jù)車輛牽引供電電壓的不同，從DC 110 V至更高的電壓不等。城市軌道交通車輛的應(yīng)急供電能力與其配置的儲能電量、功率有關(guān)。同樣體積下，配置鋰電池可滿足城市軌道交通車輛正線牽引以及停車庫內(nèi)調(diào)車的較長距離需求，且具備較高的行車速度，可牽引載荷較大的城市軌道交通車輛，使用壽命也較長；而配置堿性電池、鉛酸電池則由于能量密度和功率密度均偏低，使用壽命較短[4]，一般僅適用于停車庫內(nèi)調(diào)車的平直道工況，且車速較慢、可牽引的車輛載荷較小[5]。

表1 我國內(nèi)地城市軌道交通應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀統(tǒng)計Tab.1 Statistics of application status of domestic urban rail transit emergency power supply system

2 城市軌道交通車輛應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計

基于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的供電制式，即DC 750 V / 1 500 V供電電壓等級[6]，設(shè)計了以下4種應(yīng)急供電系統(tǒng)，并進行了對比分析。

2.1 采用110 V電池的應(yīng)急供電系統(tǒng)

圖1 城市軌道交通車輛車載110 V蓄電池箱的應(yīng)急供電系統(tǒng)改造Fig.1 Emergency power supply system reconstruction of urban rail transit vehicle on-board 110 V battery

如圖1所示，對城市軌道交通車輛車載110 V蓄電池箱的應(yīng)急供電系統(tǒng)進行改造。在城市軌道交通車輛正常運行時，斷開開關(guān)K，蓄電池處于浮充狀態(tài)，并保持滿電；在城市軌道交通車輛需要應(yīng)急供電時，閉合開關(guān)K，蓄電池接入牽引主回路。該設(shè)計的供電電壓等級低，電池組輸出電流大，致使電機處于低壓下發(fā)熱嚴重，進而造成牽引效率較低；同時，受限于電池組(鎳鎘電池、鉛酸電池)的化學(xué)特性，一方面放電倍率不足，無法提供持續(xù)大功率輸出，另一方面循環(huán)壽命短，經(jīng)多次較大倍率放電后壽命衰減明顯，因此適用于牽引距離短、牽引功率小、牽引速度慢、應(yīng)急供電使用不頻繁的場合。

2.2 采用電池和充電機的應(yīng)急供電系統(tǒng)

如圖2所示，車輛增加電池箱和專用充電機，在車輛正常運行時，斷開開關(guān)K，充電機給電池箱補電；在需要應(yīng)急供電時，閉合開關(guān)K，電池箱接入牽引主回路。該設(shè)計與圖1對比不同的是電池箱電壓可進行配置提升，以滿足DC 750 V / 1 500 V的供電電壓等級?？紤]到電池組的耐壓安全性，一般配置電壓為DC 300 ～ 800 V。選擇能量密度與功率密度較大的鋰電池，可滿足較遠距離的應(yīng)急牽引，并可以頻繁使用，牽引效率得以大大提高。由于此種應(yīng)急供電系統(tǒng)的電壓等級提升，無法借助車上原有的110 V充電機進行充電，須配置專用充電機，增加了一定的空間與成本。

圖2 采用電池和專用充電機的應(yīng)急供電系統(tǒng)

2.3 采用電池和雙向AC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

如圖3所示，車輛增加電池箱和AC/DC雙向變流模塊，在車輛正常運行時，斷開開關(guān)K，電池箱借助車輛AC 380 V通過AC/DC模塊實現(xiàn)補電；在需應(yīng)急供電時，閉合開關(guān)K，電池箱接入牽引主回路，同時通過AC/DC模塊實現(xiàn)逆變提供AC 380 V。該設(shè)計可在應(yīng)急牽引供電時提供整車的交流用電，以滿足通風(fēng)、空調(diào)、冷卻等客室緊急用電。其電池箱電壓等級一般為DC 600～800 V，具備較高的牽引效率。由于該應(yīng)急供電系統(tǒng)配置了AC/DC雙向變流模塊，也增加了一定的體積和成本。

圖3 采用電池和AC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

2.4 采用電池和雙向DC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

如圖4所示，車輛增加電池箱和DC/DC雙向變流模塊。在車輛正常運行時閉合開關(guān)K，電池箱通過DC/DC模塊降壓充電，同時實現(xiàn)制動能量回收，存儲的電能在車輛牽引時通過DC/DC模塊升壓放出，實現(xiàn)節(jié)能效果；在需要應(yīng)急供電時，閉合開關(guān)K，電池箱通過DC/DC模塊升壓放電，電壓等級達到車輛額定供電電壓，牽引效率高，車輛輔助系統(tǒng)也可以正常工作。該設(shè)計既可提供應(yīng)急牽引和輔助供電，也可實現(xiàn)制動能量的回收利用，大大提升了系統(tǒng)使用率，但也增加了一定的體積和成本。

圖4 采用電池和DC/DC的應(yīng)急供電系統(tǒng)

2.5 各種應(yīng)急供電系統(tǒng)對比

對上述4種應(yīng)急供電系統(tǒng)進行對比，如表2所示。實際情況下,應(yīng)基于應(yīng)用場合的不同，兼顧成本、改造難易等因素來選擇合適的改造方案。

表2 城市軌道交通車輛應(yīng)急供電系統(tǒng)對比Tab.2 Comparison of urban rail transit emergency power supply system

3 城市軌道交通車輛應(yīng)急供電的整車配合

城市軌道交通車輛在應(yīng)急供電工況下，需要整車多個系統(tǒng)設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，其基本控制邏輯如圖5所示。

圖5 城市軌道交通車輛應(yīng)急供電控制邏輯

1) 司機室確認車輛完全停車、車況信息正常后，按下應(yīng)急供電投入按鈕，VCU進入應(yīng)急供電控制模式。

2) VCU確認HB處于斷開位置后，向應(yīng)急供電系統(tǒng)下發(fā)開關(guān)閉合命令。

3) VCU調(diào)整牽引為電池牽引特性，調(diào)整制動為純空氣制動，調(diào)整輔助系統(tǒng)降載，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)保持與VCU的實時信息交換。

4) 車輛到達指定位置后停車，司機室退出應(yīng)急供電按鈕，VCU退出應(yīng)急供電控制模式，應(yīng)急供電系統(tǒng)開關(guān)斷開。

4 結(jié)語

本文分析了我國內(nèi)地城市軌道交通車輛應(yīng)急供電系統(tǒng)的應(yīng)用情況，設(shè)計研究了4種不同應(yīng)急供電系統(tǒng)，對比分析了不同系統(tǒng)的原理特點，并考慮了應(yīng)急供電下的整車控制配合。隨著標(biāo)準(zhǔn)化地鐵列車、智慧化城市軌道交通車輛的設(shè)計推廣，應(yīng)急供電系統(tǒng)對提升車輛應(yīng)急救援能力、探索新節(jié)能方式具有重要意義。