車載蓄電池應(yīng)急牽引改造方案分析

何祥龍

摘要：在城市軌道交通體系中，地鐵因其安全便捷、高效迅速的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，尤其是在經(jīng)濟較為發(fā)達的城市，地鐵已經(jīng)成為交通體系中不可或缺的一環(huán)，給城市居民提供了優(yōu)質(zhì)的公共交通服務(wù)。在城市軌道交通運營中，需要對供電系統(tǒng)給予足夠的重視，以保證其正常運行，但是當供電系統(tǒng)發(fā)生故障，或受到偶發(fā)因素、自然災(zāi)害影響或是人為破壞時，將會導致地鐵供電出現(xiàn)短時的中斷或者長時間的癱瘓，不僅會導致線路停運，甚至對整個軌道運行體系中的所有城市軌道線路帶來不良影響，在引起乘客恐慌的基礎(chǔ)上誘發(fā)次生災(zāi)害，后果十分嚴重。

關(guān)鍵詞：地鐵交通? 車載蓄電池 應(yīng)急牽引 優(yōu)化方案

中圖分類號：U260???? 文獻標識碼：A

Analysis of the Emergency Traction Transformation Plan for Vehicle-Mounted Batteries

HE?Xianglong

（First Operation Branch， Beijing Subway Limited， Beijing ， 102209 China）

Abstract： In the urban rail transit system， subways are widely used due to the advantages of safety， convenience， efficiency and speed. Especially in economically developed cities， subways have become an indispensable part of the transportation system， and they provide high-quality public transportation services for urban residents. In the operation of urban rail transit， sufficient attention needs to be paid to the power supply system to ensure its normal operation. However， when the power supply system malfunctions or is affected by occasional factors， natural disasters or man-made sabotage， it will lead to a short-term interruption or long-term paralysis of subway power supply， which not only leads to the shutdown of the line， but even has adverse effects on all urban rail lines in the entire rail operation system and triggers secondary disasters on the basis of causing panic among passengers， and the consequences are very serious.

KeyWords： Subway transportation; Vehicle-mounted battery; Emergency traction; Optimization plan

蓄電池牽引技術(shù)，即通過蓄電池的牽引來實現(xiàn)列車在供電系統(tǒng)不能正常運行的狀態(tài)下的啟動和行駛，通過激活地鐵車輛自身承載的蓄電池組來使車輛的牽引系統(tǒng)由車載蓄電池實現(xiàn)供電。通過蓄電池牽引，以更加靈活高效的供電方式來消除車輛在運行過程中可能出現(xiàn)的安全隱患，在保證車輛能夠在供電系統(tǒng)異常的情況下正常運行，便于檢修人員進行后期的修繕和維護，同時能夠確保車輛行駛至相應(yīng)的站點，為乘客疏散和救援創(chuàng)造良好的條件。文章以北京地鐵六號線為例，研究了一種軌道交通蓄電池應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，充分參考行業(yè)內(nèi)軌道交通蓄電池牽引案例。

1. 軌道交通蓄電池應(yīng)急系統(tǒng)

當前城市軌道交通體系復(fù)雜，地鐵、輕軌等各種交通方式為大眾出行提供了豐富的選擇。這也就導致當軌道交通列車發(fā)生故障時造成的影響和損失較大，以非因車輛原因造成的列車無法正常受電事故為例，其恢復(fù)的時間較長，往往超過車輛的應(yīng)急供電時間，且軌道所處環(huán)境復(fù)雜，車輛維修檢查、乘客救援和疏散的難度較大。當發(fā)生車輛運行事故時相關(guān)運營管理部門主要是通過就地疏散的形式來疏散乘客，但是由于軌道交通的站間距較長，發(fā)生故障后乘客疏散步行通過區(qū)間的時間較長，不僅會直接影響軌道交通的恢復(fù)，同時還可能產(chǎn)生其他安全事故?；诖?，迫切需要展開軌道交通應(yīng)急牽引的技術(shù)研究，充分利用列車自載的蓄電池來進行應(yīng)急牽引，以進行列車的移動和入庫，為后續(xù)的檢修維護和人員疏散創(chuàng)造良好的條件。

而相應(yīng)的技術(shù)研究也在開展，如東京地鐵公司與日立制作所合作利用車輛的應(yīng)急電池裝置來開展列車的行駛實驗。其對銀座線內(nèi)一輛六節(jié)安裝了應(yīng)急蓄電池的列車展開實驗，將車輛切換到緊急行駛模式后，列車依靠應(yīng)急蓄電池以5km/h的速度緩慢行駛，該列車在平坦的地方行駛了1.2km，上坡路段行駛300m。而東京銀座線的站間距間隔最大的為1.3km，該應(yīng)急牽引方案能夠滿足列車人員疏散和檢修的需要、可在平坦的地方行駛1.2km，上坡則為300m。而在國內(nèi)軌道交通行業(yè)，車載輔助蓄電池進行應(yīng)急牽引的成功案例也較多，如北京地鐵4號線、上海軌道交通16號線，其借助常規(guī)的車載蓄電池實現(xiàn)了短距離的列車牽引。

蓄電池牽引技術(shù)能夠確保列車在無高壓狀態(tài)下實現(xiàn)啟動行駛，當列車在平直軌道位置時，可通過激活蓄電池牽引功能實現(xiàn)列車的自行牽引，從而滿足相應(yīng)的移動需求。軌道交通蓄電池應(yīng)急系統(tǒng)是軌道交通行業(yè)重要的安全保障裝置，其主要作用是在電網(wǎng)故障或其他突發(fā)事件導致軌道交通線路停電時，能夠提供電力保障，保證列車安全運行并盡快恢復(fù)電力供應(yīng)^[1]。軌道交通蓄電池應(yīng)急系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成。

（1）蓄電池組：蓄電池組是應(yīng)急系統(tǒng)的核心部分，其主要作用是將電能儲存起來并在需要時釋放。蓄電池組可以根據(jù)實際情況的需要進行多個模塊的互備運行，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）充電機組：當軌道交通的電網(wǎng)正常運行時，充電機組通過電網(wǎng)為蓄電池組進行充電，以保證蓄電池組始終處于充足的電量狀態(tài)，為應(yīng)急運行提供可靠保障。

（3）放電控制器：放電控制器主要負責控制蓄電池組的放電，當軌道交通電網(wǎng)出現(xiàn)異常時，放電控制器能夠根據(jù)列車運行需要及時對蓄電池組進行放電，以保證列車的運行安全。

（4）應(yīng)急負載開關(guān)：應(yīng)急負載開關(guān)是一種關(guān)鍵性的裝置，當軌道交通正常供電中斷時，通過應(yīng)急負載開關(guān)能夠?qū)④壍澜煌ㄗ冸娫O(shè)備的負載迅速切換到應(yīng)急電源提供的電源上，保障列車的運行和乘客的安全。

軌道交通蓄電池應(yīng)急系統(tǒng)具有在極端惡劣的應(yīng)急情況下能夠保證軌道交通線路安全、快速恢復(fù)供電等重要功能，因此，在軌道交通行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展空間。

２ 蓄電池牽引總體設(shè)計

當前我國城市軌道交通多采用直流1500V架空接觸網(wǎng)或者直流750V三軌供電方式，設(shè)計軌道交通列車蓄電池應(yīng)急牽引時需要結(jié)合具體的列車行駛和受電模式展開分析。國內(nèi)軌道交通既有列車有A型車和小型車兩種，編組形式也較為多樣，有3節(jié)編組、4節(jié)編組、6節(jié)編組、7節(jié)編組和8節(jié)編組多種形式，其中，以6節(jié)編組的A型車為例（圖1所示），其列車的編組形式為：--A+B+C=C+B+A--（其中A為有司機室的拖車；B為有受電弓的動車；C為無受電弓的動車）。

列車由兩個單元車組組成，每個單元車組由1輛拖車和2輛動車組成，在正常情況下，弓網(wǎng)受電為列車的正常牽引模式，當弓網(wǎng)受電出現(xiàn)故障后，蓄電池將會為列車提供緊急動能并實現(xiàn)應(yīng)急牽引，而在設(shè)計應(yīng)急牽引技術(shù)系統(tǒng)時，需要從蓄電池牽引工況下的牽引持續(xù)實踐和牽引速度兩方面著手。在總體設(shè)計目標上包括兩方面：一是能在外部電源或者接觸網(wǎng)發(fā)生供電故障時，能夠利用列車搭載的蓄電池完成應(yīng)急牽引，并將列車以一定的速度，在一定時間內(nèi)牽引至最近的站點，在減少列車故障對乘客不良影響的基礎(chǔ)上開展疏散和相應(yīng)的救援工作，并及時恢復(fù)列車的正常運行；二是要求將列車車輛牽引進站，便于技術(shù)人員開展后續(xù)的安全檢查和維修工作。

根據(jù)需求目標進行蓄電池牽引主電路設(shè)計。其中，針對架空接觸網(wǎng)供電方式的軌道列車，需要減蓄電池牽引方式集成到相應(yīng)的交通系統(tǒng)中，并解決好牽引系統(tǒng)內(nèi)部高壓輸入和蓄電池低壓輸入之間的可靠隔離，并對牽引電路展開功能互鎖。配置相應(yīng)的電動隔離開關(guān)，通過切換開關(guān)的形式來實現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換，當隔離開展接收到轉(zhuǎn)換命令時，直接由低壓控制線路提供直流電機電源。通過采用直流接觸器，將蓄電池牽引電路同正常牽引回流電路實現(xiàn)可靠隔離，并通過車輛控制單元實施監(jiān)測直流接觸器的輔助觸點，充分保證正常牽引和蓄電池牽引系統(tǒng)的隔離，以實現(xiàn)特殊情況下供電方式的快速切換。同時，根據(jù)軌道列車的高壓電源電路圖設(shè)置相應(yīng)的用于蓄電池牽引的接觸器箱，并在司機室控制臺上設(shè)置相應(yīng)地蓄電池牽引功能開關(guān)，當列車無高壓接入時自動評估蓄電池應(yīng)急牽引的條件，并通過信號傳輸及時通知控制系統(tǒng)，激活蓄電池應(yīng)急牽引功能，此后轉(zhuǎn)為由車載蓄電池供電并牽引列車至相應(yīng)的站點區(qū)間。設(shè)計主電路充分考慮蓄電池容量特性和使用壽命。當蓄電池處于緊急負載供電工況并完成牽引后，通過車載的蓄電池充電機恢復(fù)并進行后續(xù)的檢查維修。

在特性設(shè)計方面，根據(jù)應(yīng)急牽引運行需求后開展后續(xù)的設(shè)計。根據(jù)應(yīng)急牽引電壓、輪徑、齒輪轉(zhuǎn)動比、車輛自動、運行速度等多項數(shù)據(jù)計算牽引特性曲線^[2]。進行控制方案設(shè)計時，蓄電池應(yīng)急牽引模式的轉(zhuǎn)換需要借助列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)控制單元、靜止逆變器裝置等多項設(shè)置共同配合實現(xiàn)。包括判斷本節(jié)車牽引系統(tǒng)是否符合蓄電池牽引條件、是否存在相應(yīng)的故障，并向控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，以執(zhí)行相關(guān)程序，完成應(yīng)急牽引模式的切換。

同時針對列車應(yīng)急牽引的需求展開蓄電池功能分析。由于應(yīng)急牽引對蓄電池的預(yù)期功能要求較高，因此在開展應(yīng)急牽引技術(shù)設(shè)計時，必須要求蓄電池具備將車輛從隧道區(qū)間牽引至區(qū)間站點的能力。根據(jù)成本、軌道交通站點情況、列車系統(tǒng)特點和技術(shù)水平等綜合選用蓄電池，以滿足蓄電池牽引的要求。

3 軌道交通運行實現(xiàn)方法

當列車運行過程中受到諸多復(fù)雜因素的影響，可能出現(xiàn)在線網(wǎng)故障、受流裝置失效、無網(wǎng)區(qū)段等問題導致無高壓輸入，此時列車無法正常行駛，可借助車載蓄電池系統(tǒng)進行應(yīng)急牽引。其原理主要是通過利用儲存在蓄電池組的電能為列車提供運行所需要的外界電能。其實現(xiàn)牽引的路徑主要是通過將蓄電池電能供給給輔助系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)急供電。其中，應(yīng)急牽引系統(tǒng)通過牽引逆變器將蓄電池組的電能轉(zhuǎn)換成適合列車運行的交流電能，以保障列車的運行和乘客的安全。該系統(tǒng)通過牽引逆變器、應(yīng)急牽引供電系統(tǒng)、牽引負載和牽引調(diào)速器等關(guān)鍵部件實現(xiàn)。

通過使用蓄電池替代傳統(tǒng)受電方式或儲能裝置，為列車提供牽引動力。該方案具有能耗低、環(huán)保、安全性高等優(yōu)點。蓄電池應(yīng)急牽引系統(tǒng)內(nèi)置在地面和車輛之間的牽引變流器，通過變流器將蓄電池組輸出的直流（DC）電能轉(zhuǎn)換為交流（AC）電能，提供動力給車輛。而牽引逆變器是應(yīng)急牽引系統(tǒng)的核心，它將蓄電池組儲存的直流電轉(zhuǎn)換成列車需求的交流電。目前市場上使用的牽引逆變器主要分為兩類：見縫插針式和直接轉(zhuǎn)換式。見縫插針式的逆變器采用多級逆變器結(jié)構(gòu)，通過控制不同級數(shù)逆變器的工作狀態(tài)來實現(xiàn)輸出交流電的控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護的優(yōu)點。直接轉(zhuǎn)換式的逆變器直接將蓄電池組儲存的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。該類型逆變器的效率高，且對電網(wǎng)的污染很小，符合環(huán)保要求。但是，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用成本相對較高。選擇牽引逆變器時需要綜合考量技術(shù)、成本和效益等多項因素。

而應(yīng)急牽引供電系統(tǒng)是應(yīng)急牽引系統(tǒng)實現(xiàn)的重要組成部分。在設(shè)計應(yīng)急牽引供電系統(tǒng)時需要考慮以下幾個方面：對列車電氣系統(tǒng)的負載特性進行分析，以確定應(yīng)急牽引系統(tǒng)所需的電壓和電容量；應(yīng)采用多組并聯(lián)的蓄電池組，以確保系統(tǒng)的可靠性；應(yīng)選擇一種高效的充放電管理策略，以延長蓄電池組的使用壽命。應(yīng)急牽引供電系統(tǒng)是應(yīng)急牽引系統(tǒng)實現(xiàn)的重要組成部分。在設(shè)計應(yīng)急牽引供電系統(tǒng)時需要考慮以下幾個方面：對列車電氣系統(tǒng)的負載特性進行分析，以確定應(yīng)急牽引系統(tǒng)所需的電壓和電容量；應(yīng)采用多組并聯(lián)的蓄電池組，以確保系統(tǒng)的可靠性；應(yīng)選擇一種高效的充放電管理策略，以延長蓄電池組的使用壽命。

在設(shè)計一套實現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，進一步開展相應(yīng)的仿真計算，包括計算動車組蓄電池應(yīng)急牽引模式下的恒速、蓄電池牽引性能仿真、蓄電池選型等一系列工作，確保蓄電池容量大小能夠符合應(yīng)急牽引需求，并能在緊急供電模式下實現(xiàn)快速釋放大電流。總體來說，蓄電池應(yīng)急牽引方案應(yīng)當要滿足車輛牽引啟動、加速過程中的大電流和車輛輔助系統(tǒng)供電、應(yīng)急牽引工況下車輛緊急負載45min供電的需求。

4 軌道交通項目投資效益分析

隨著軌道交通線路遍及城市各個地區(qū)，確保軌道交通安全、高效運行成為了重要目標。建立軌道交通蓄電池應(yīng)急牽引系統(tǒng)能夠為軌道交通運輸體系在非正常運營狀況下提供電力支持和動能。由于軌道交通易受外界因素影響，各區(qū)間站點的客流量并不穩(wěn)定，因此難以評估應(yīng)急事故的危險程度，在發(fā)生供電事故時，為了保證軌道交通運輸系統(tǒng)安全運行，開展相應(yīng)的應(yīng)急牽引技術(shù)探索為降低事故損失和幫助軌道交通體系正常運行提供了重要支撐。

一是經(jīng)濟效益方面，蓄電池系統(tǒng)是軌道交通列車系統(tǒng)的重要組成部分，蓄電池的日常檢修和維護本身就是軌道交通運營的內(nèi)容之一，因此，可在不增加或少增加列車蓄電池成本的情況下實現(xiàn)列車的應(yīng)急牽引功能，開發(fā)蓄電池在緊急情況下為列車提供牽引動能的潛力。且蓄電池能夠?qū)崿F(xiàn)在線維護，有助于降低維護成本，借助車輛本身的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)確保蓄電池處于正常運行狀態(tài)，以便發(fā)生特殊情況時快速轉(zhuǎn)化動能。

二是社會效益方面，蓄電池應(yīng)急牽引能將軌道交通列車應(yīng)急事故的損失降到最低，當外部供電網(wǎng)出現(xiàn)故障市列車司機啟動蓄電池應(yīng)急牽引功能，及時將旅客送到就近的站點進行疏散，確保旅客的乘車安全，避免了列車旅客在區(qū)間軌道上疏散行走時可能發(fā)生其他安全事故的可能性。同時，將列車蓄電池應(yīng)急牽引技術(shù)進行標準化開發(fā)，將其利用與城市軌道交通體系中的所有列車，取得快速聯(lián)動的效果，從總體上提高了城市軌道交通的運營質(zhì)量，且列車公司擁有領(lǐng)先的列車蓄電池系統(tǒng)技術(shù)和完善的應(yīng)急服務(wù)作業(yè)流程，形成了一整套成熟的應(yīng)急事故解決方案，可進行相應(yīng)的商業(yè)化推廣并取得更多技術(shù)服務(wù)收入。

５ 軌道交通運輸能力提升策略

在軌道交通列車蓄電池應(yīng)急牽引技術(shù)研發(fā)中，提升蓄電池系統(tǒng)的牽引能力是一大重點，而其中蓄電池的容量對牽引效果尤其是牽引距離影響較大。首先在應(yīng)急牽引的技術(shù)思路上，主要依靠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)DCU控制單元完成蓄電池應(yīng)急牽引模式的轉(zhuǎn)換，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)出牽引信號，判斷列車是否滿足應(yīng)急牽引的條件，再由控制單元DCU判斷車輛牽引系統(tǒng)是否滿足蓄電池牽引的條件，并執(zhí)行相應(yīng)的程序。在完善蓄電池應(yīng)急牽引系統(tǒng)的設(shè)計過程中，要完善其他系統(tǒng)的功能，使其與蓄電池應(yīng)急牽引相銜接^[3-6]。

在電池的選型方面，必須做好鋰電池組的研究工作，包括對蓄電池大功率特性、溫度特性、利用效率的研究，電池組系統(tǒng)在應(yīng)急牽引高倍率放電時的防環(huán)流技術(shù)研究、電池組系統(tǒng)高倍率充放電機制研究以及電池組系統(tǒng)安全可靠性和電池組系統(tǒng)認證評價技術(shù)研究等。同時要做好蓄電池的容量計算工作，容量計算必須綜合考察列車在無高壓輸入的緊急工況下供電和應(yīng)急牽引模式下坡道運行兩種情況，通過計算出蓄電池的緊急負載容量來考察其是否滿足緊急供電的需求，在保證滿足緊急負載需求的基礎(chǔ)上為其提供15%的額外裕度?？紤]到城市軌道交通運輸?shù)奶厥庑?，為提升?yīng)急牽引效率并提高運行速度，可以增加蓄電池容量，并提升蓄電池應(yīng)急牽引系統(tǒng)的輸出功率，以提升列車的牽引力。

6 結(jié)語

綜上所述，開展蓄電池牽引技術(shù)研究設(shè)計工作能夠大幅提高車輛的運營效率。對軌道列車自身搭載的蓄電池進行應(yīng)急牽引系統(tǒng)的設(shè)計將是未來技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，能夠有效保證列車在緊急狀態(tài)下啟動并移動至區(qū)間站點，為后續(xù)的維修和疏散工作提供支持。與其他應(yīng)急牽引系統(tǒng)相比蓄電池應(yīng)急牽引系統(tǒng)具有可靠性高、電源壽命長以及啟動效果好的優(yōu)點。本文根據(jù)當前北京地鐵六號線的運營現(xiàn)狀和車輛特點，結(jié)合列車的技術(shù)特點和線路特性來展開了詳細的蓄電池牽引方案設(shè)計工作，并通過牽引計算和仿真實現(xiàn)來檢驗其可行性，根據(jù)列車蓄電池的特點設(shè)計了一套蓄電池應(yīng)急牽引系統(tǒng)，并從能力提升的角度對蓄電池的性能展開分析，使其滿足列車應(yīng)急牽引的需求，并為確保列車在非正常狀態(tài)下的運營效率提供了極大的幫助。

參考文獻

[1]龔承啟.成都地鐵5號線車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（8）：113-117.

[2]溫志強，陳富東，宋福，等.深圳地鐵3號線增購列車蓄電池牽引功能整改與實現(xiàn)[J].鐵道車輛，2020，58（4）：29-32，6.

[3]徐廣偉，劉建城，陳東，等.動車組蓄電池供電的應(yīng)急牽引和應(yīng)急空調(diào)制冷系統(tǒng)[J].機車電傳動，2019（5）：116-120.

[4]李陽. 沿海漁港經(jīng)濟區(qū)頂層設(shè)計探索分析[D].大連：大連海洋大學，2023.

[5]何立軍. 結(jié)構(gòu)—過程—功能：基層治理數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究[D].長春：吉林大學，2022.

[6]朱曼曼. 數(shù)據(jù)治理視角下我國國家科研信息系統(tǒng)建設(shè)路徑研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院文獻情報中心），2022.