鄧文豪

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京100081）

北京地鐵16號(hào)線蓄電池牽引方案分析

鄧文豪

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京100081）

根據(jù)北京地鐵16號(hào)線蓄電池牽引特點(diǎn)，對(duì)蓄電池牽引方案進(jìn)行了分析，包括蓄電池類型、蓄電池能力要求、蓄電池牽引投入條件判定等。根據(jù)具體需求分析仿真典型工況的蓄電池能力輸出，并根據(jù)仿真結(jié)果選擇合適的蓄電池容量。

地鐵；蓄電池牽引；蓄電池能力；蓄電池選型

1 蓄電池牽引功能提出

北京地鐵16號(hào)線全長49.85 km，全部為地下線路，共設(shè)地下車站29座，在線路的南北端分別設(shè)置停車場和車輛段。列車采用6動(dòng)2拖8輛編組 A 型車，全線接觸網(wǎng)受電。一般情況下，弓網(wǎng)受電作為北京地鐵16號(hào)線的正常牽引模式，一旦弓網(wǎng)受電出現(xiàn)故障，蓄電池牽引可以作為緊急牽引使用。北京地鐵16號(hào)線根據(jù)4號(hào)線已有的蓄電池牽引的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)列車蓄電池牽引能力提出了更高的要求，主要考慮蓄電池牽引工況下的牽引持續(xù)時(shí)間和牽引速度等。北京地鐵16號(hào)線增加蓄電池牽引的主要作用為：①外部電源、接觸網(wǎng)等供電故障時(shí)，利用列車自帶的蓄電池作為動(dòng)力牽引，列車以一定的速度行駛至最近的車站，進(jìn)而疏散乘客，減少對(duì)乘客出行的影響和列車被救援的概率，因?yàn)榱熊嚲仍畷?huì)對(duì)正常運(yùn)營造成極大的影響；②可以在車輛段內(nèi)方便地進(jìn)行調(diào)車、洗車作業(yè)，這可作為車輛段內(nèi)移車的主要方式，而接觸網(wǎng)受流方式作為段內(nèi)作業(yè)輔助手段；③可以取消牽引系統(tǒng)的車間電源功能，節(jié)省部分投資。

2 蓄電池牽引功能需求分析

由于對(duì)16號(hào)線列車蓄電池牽引的預(yù)期功能要求較高，要求蓄電池牽引能力滿足列車具備通過蓄電池牽引運(yùn)行至下一站或退回至上一站的能力。鑒于蓄電池的體積和車下的布置空間，為整列列車緊急負(fù)載提供45 min 供電需求的 DC110V 蓄電池和列車牽引用的蓄電池分開設(shè)置，同時(shí)考慮提高列車牽引用蓄電池的利用率，將以前需要 DC110V 供電的緊急通風(fēng)功能轉(zhuǎn)為由牽引用的蓄電池供電實(shí)現(xiàn)。為了減少蓄電池牽引時(shí)的輸出電流，需要提高蓄電池牽引的輸出電壓，同時(shí)考慮蓄電池的體積和車下布置，不使用升壓電路使蓄電池輸出電壓升高，而是提高蓄電池組的直接輸出電壓。

2.1 蓄電池選型

目前城軌列車采用的蓄電池產(chǎn)品主要有2種：膠體鉛酸蓄電池和纖維結(jié)構(gòu)電極式鎳鉻蓄電池。如果按電解液劃分，前者屬于酸性蓄電池，后者屬于堿性蓄電池。

在對(duì)蓄電池選型時(shí)，主要考慮以下因素。

（1）性能好。所選的電池必須滿足可靠性要求，特別是用于緊急情況下的負(fù)載供電和牽引。由于堿性蓄電池若在沒有完全放完電就充電，在下次放電時(shí)，就不能放出全部電量。從蓄電池使用性能和充放電的方便性來說，酸性蓄電池較堿性蓄電池占優(yōu)。

（2）運(yùn)營維護(hù)少。蓄電池的維護(hù)工作要安全，維護(hù)周期長。由于膠體鉛酸蓄電池把電解液由液體轉(zhuǎn)為膠體后減少了后期加液的維護(hù)，而且減少了后期加液維護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)，而堿性蓄電池需要周期性地加液維護(hù)。

（3）蓄電池要安全環(huán)保同時(shí)兼顧性價(jià)比。膠體電解液在充放電時(shí)沒有氣霧的排出，而堿性的液體電解液存在溢出及充放電時(shí)氣霧排出。相同能量的蓄電池比較，鉛酸蓄電池的質(zhì)量和體積較堿性電池大，且酸性蓄電池的低溫特性較堿性蓄電池差，特別是10 ℃以下的低溫特性。根據(jù)運(yùn)營單位的需求和運(yùn)營單位以前的使用維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，堿性蓄電池的維護(hù)存在風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)分析評(píng)估后，16號(hào)線用于牽引的蓄電池組采用鉛酸蓄電池組。

2.2 蓄電池能力分析

蓄電池能力的配置主要根據(jù)對(duì)蓄電池應(yīng)用的工況分析確定，16號(hào)線增加的牽引蓄電池主要考慮了以下2個(gè)方面。

（1）在供電故障情況下，蓄電池牽引發(fā)揮疏散乘客的作用。由于車下空間布置和蓄電池輸出能力的限制，僅限于考慮滿足1次故障的蓄電池牽引需求。北京地鐵列車載客量在高峰期達(dá)到最大載荷，在確定蓄電池牽引能力時(shí)需考慮 AW3載荷工況。供電故障可能出現(xiàn)在運(yùn)營區(qū)間任一位置，需要考慮蓄電池牽引運(yùn)行至最近車站的能力，牽引方向可以是前進(jìn)或后退。此外，還需考慮線路的坡度，來配置蓄電池的能力。

（2）提高蓄電池的利用率。由于16號(hào)線對(duì)蓄電池牽引能力要求較高，若緊急牽引用蓄電池組和以前緊急工況下的 DC110V 蓄電池組合并成1組，車下空間不能滿足蓄電池組安裝要求，為此，用于緊急工況下供電的DC110V 蓄電池組和用于緊急牽引用的蓄電池組分開設(shè)置，為了減少 DC110V 蓄電池組的容量和提高緊急牽引用蓄電池組利用率，將以前設(shè)計(jì)的 DC110V 蓄電池供電的緊急通風(fēng)功能轉(zhuǎn)由緊急牽引蓄電池組供電，同時(shí)用于緊急牽引的蓄電池組可用于車輛段內(nèi)的調(diào)車及洗車作業(yè)。

2.3 蓄電池牽引投入條件分析

蓄電池牽引在外部電源、接觸網(wǎng)供電故障時(shí)啟動(dòng)，其使用條件可分為正常的蓄電池牽引模式和備用蓄電池牽引模式（列車網(wǎng)絡(luò)故障模式）?；究刂扑悸窞樵O(shè)置蓄電池牽引開關(guān)，當(dāng)蓄電池牽引開關(guān)激活后，判斷蓄電池牽引的使能條件是否滿足，當(dāng)條件滿足后，列車轉(zhuǎn)入蓄電池牽引狀態(tài)。還需設(shè)置蓄電池牽引復(fù)位條件，當(dāng)蓄電池牽引復(fù)位條件滿足時(shí)，停止蓄電池牽引。

2.3.1 正常蓄電池牽引模式

向牽引系統(tǒng)發(fā)送蓄電池牽引使能信號(hào)，在滿足以下條件時(shí)使能信號(hào)有效：

（1）非 ATO 模式；

（2）司機(jī)控制器主控手柄位于非牽引位；

（3）列車靜止；

（4）蓄電池電壓高于某一限值（滿足蓄電池牽引）；

（5）蓄電池輸出母線接地檢測正常。

以上蓄電池牽引使能條件滿足后，牽引系統(tǒng)內(nèi)部的控制系統(tǒng)判斷以下條件均滿足時(shí)，輸出蓄電池牽引接觸器閉合指令：

（1）司機(jī)控制器主控手柄位于非牽引位置；

（2）司機(jī)控制器方向手柄不處于零位；

（3）高速斷路器位于斷開狀態(tài)；

（4）隔離接地開關(guān)位于正常運(yùn)行位；

（5）三相中壓母線激活。

蓄電池牽引接觸器閉合完成后，牽引變流模塊將自動(dòng)完成中間回路充電，等待司機(jī)發(fā)出蓄電池牽引力參考命令。

蓄電池牽引使能信號(hào)的復(fù)位條件滿足以下任一個(gè)即復(fù)位：

（1）ATO 模式；

（2）蓄電池電壓低于某一限值；

（3）蓄電池牽引母線接地檢測到短路；

（4）網(wǎng)絡(luò)判斷有牽引指令幾秒后，保持制動(dòng)仍未緩解。

2.3.2 備用模式

同時(shí)滿足以下條件時(shí)，蓄電池牽引使能有效：

（1）蓄電池牽引開關(guān)激活；

（2）方向手柄置于非零位；

（3）列車靜止；

（4）緊急逆變器工作正常且緊急通風(fēng)切換正常。

以上蓄電池牽引使能條件滿足后，牽引系統(tǒng)自動(dòng)完成中間回路充電，等待司機(jī)發(fā)出牽引力參考命令后，進(jìn)入蓄電池牽引。

蓄電池牽引使能信號(hào)的復(fù)位條件滿足以下任一個(gè)即復(fù)位：

（1）蓄電池牽引開關(guān)激活丟失；

（2）方向手柄位于零位；

（3）緊急逆變器停止工作；

（4）輸出電壓低于設(shè)置值；

（5）牽引系統(tǒng)判斷其他需要復(fù)位保護(hù)的條件。

3 蓄電池能力仿真

為了達(dá)到蓄電池緊急牽引時(shí)牽引輸出力的可控性，蓄電池緊急牽引設(shè)置的輸出牽引力為1檔設(shè)置。結(jié)合上述對(duì)蓄電池能力的分析，并考慮北京地鐵16號(hào)線實(shí)際線路情況，即荷載、坡道、運(yùn)行速度等條件，選擇了最具代表性的區(qū)段線路：達(dá)官營站至紅蓮南里站之間一段9.85‰ 坡道起點(diǎn)至紅蓮南里站為車輛蓄電池牽引運(yùn)營工況的仿真線路。

仿真輸入：車重564.7 t（AW3載荷，8輛編組 A 型車），坡度10‰，坡道上最大運(yùn)行速度5 km/h。

蓄電池緊急牽引工況：AW3載荷位于10‰ 坡道底端，啟動(dòng)列車爬900 m 長的10‰ 坡道，繼續(xù)行駛走2‰ 坡道到站。

車輛的速度-時(shí)間曲線見圖1。

圖1 車輛速度-時(shí)間曲線

仿真采樣周期為0.1 s，車輛總共運(yùn)行時(shí)間779 s，其中運(yùn)行至900 m 坡道頂端時(shí)間為674 s。車輛在10‰ 坡道上最大運(yùn)行速度約5 km/h。

整車牽引變流器輸入功率曲線見圖2。

圖2 整車蓄電池牽引變流器輸入功率

整車牽引變流器輸入能耗曲線見圖3。

圖3 整車蓄電池牽引變流器能耗曲線

整個(gè)運(yùn)行過程中，整車牽引變流器耗能為27.61 kW·h，車輛從10‰ 坡道爬到頂端耗能24.39 kW·h。上述所有相關(guān)電流、功率、能耗等參數(shù)為蓄電池牽引輸入?yún)?shù)，并非蓄電池的輸出參數(shù)。

通過對(duì)北京地鐵16號(hào)線其他車站的整車牽引功率的分析，本仿真線路的蓄電池容量校核的蓄電池功率曲線可覆蓋住這些區(qū)間蓄電池牽引的功率消耗。

4 蓄電池容量選型

用于16號(hào)線的蓄電池容量選擇取決于蓄電池牽引的耗能和蓄電池牽引時(shí)緊急通風(fēng)的耗能。緊急通風(fēng)的耗能分為3個(gè)階段：第1階段為蓄電池牽引前準(zhǔn)備階段的緊急通風(fēng)，第2階段為蓄電池牽引階段的緊急通風(fēng)，第3階段為蓄電池牽引后疏散階段的緊急通風(fēng)。本文不詳細(xì)討論緊急通風(fēng)的工作模式，綜合考慮緊急通風(fēng)的用電和牽引用電以及酸性蓄電池的參數(shù)，選擇6組輸出120 V、180 Ah 的蓄電池組作為蓄電池牽引用電池組。

蓄電池廠家在軌道交通成熟的應(yīng)用業(yè)績?yōu)?2 V、175 Ah 的蓄電池，但也提供6 V、180 Ah 的蓄電池，其尺寸比較見圖4。

以上方案包含蓄電池箱體及控制箱外形尺寸，12 V、175 Ah 方案為2276×1352×600（mm），6 V、180 Ah 方案為2096×1076×600（mm），考慮到車下的布置尺寸及以后檢修的需求，12 V、175 Ah 的方案體積大，無安裝空間，鑒于廠家無6 V、180 Ah 的成熟業(yè)績，各種不同溫度下的放電特性曲線（2倍率）對(duì)比見圖5。

圖4 蓄電池箱體方案對(duì)比圖（單位：mm）

圖5 2倍率放電特性曲線對(duì)比

從2個(gè)方案放電能力曲線對(duì)比中可知，12 V、175 Ah 和6 V、180 Ah 兩者性能相差不大。綜合考慮安裝空間及技術(shù)要求等，蓄電池組選擇了6 V、180 Ah 的方案。

5 總結(jié)及建議

本文介紹的蓄電池牽引方案以滿足運(yùn)營的需求展開分析，在明確需求后對(duì)典型工況進(jìn)行了蓄電池能力的仿真分析，并對(duì)蓄電池的選型進(jìn)行了說明。對(duì)城軌車輛蓄電池牽引的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

城市軌道交通車輛是否要配備高性能的牽引蓄電池，需要各城市軌道交通建設(shè)單位綜合考慮其可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 唐志儂. 地鐵列車常用蓄電池選型技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析及選型建議[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2014（1）：56-62.

[2] 北京地鐵16號(hào)線電動(dòng)客車采購合同文件[G].2015.

[3] 北京地鐵16號(hào)線電氣牽引系統(tǒng)采購合同文件[G]. 2015.

責(zé)任編輯 冒一平

Analysis of Battery Traction Scheme for Beijing Metro Line16

Deng Wenhao

Based on the characteristics of battery traction on Beijing metro line16, the paper analyzes the traction battery scheme, including the type of battery, the requirement of battery capacity, condition of battery traction input and so on. Through the specifi c demand analysis, it describes the simulation of the typical working conditions of the battery capacity output, and based on the simulation results to select the appropriate battery capacity.

metro, battery-driven traction, battery capacity, battery type selection

U231.8∶TM912

2016-03-24

鄧文豪（1984—），男，工程師