線蓄電池電力工程車電氣系統設計

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摘要：介紹了廣州新線蓄電池電力工程車的主要技術特點，對電氣系統關鍵技術及設計難點進行分析說明，并探討了關鍵設計項點的平推及應用。

關鍵詞：蓄電池電力工程車；電氣系統；設計

0引言

現代軌道交通裝備越來越趨于向多種供電模式發展，雙能源的蓄電池電力工程車因其低污染性、零排放性及高可靠性，已基本取代內燃機車，被廣泛應用于地鐵線路工程維護及地鐵車輛檢修，目前已成功運用在新加坡、澳大利亞及國內的香港、廣州等地區。廣州新線蓄電池電力工程車，是在消化吸收既有工程車設計平臺的基礎上進行技術創新的成果。該車型集成了雙DCU（牽引控制單元）設計、核心控制冗余設計、硬線邏輯冗余控制設計等特點，滿足廣州地區地鐵車輛的檢修及應急牽引需要。

1電氣系統

1.1主傳動系統

不同于傳統地鐵車輛的主傳動系統，廣州新線蓄電池電力工程車主傳動系統集成了接觸網供電、第三◆研究開發◆Vol.41No.3May20th，2018軌供電、牽引蓄電池供電及其相應的供電模式轉換控制電路等。因此，牽引蓄電池電壓的參數選擇，多種供電模式下牽引電路的集成設計及與其他部分電路的匹配方式等，成為廣州新線蓄電池電力工程車主傳動系統設計的重要內容。廣州地鐵供電系統有第三軌DC1500V和接觸網DC1500V兩種供電方式，在網軌巡檢時（第三軌和接觸網斷電），整車由DC800V牽引蓄電池供電。針對上述三種供電方式，廣州新線蓄電池電力工程車采用集成控制電路，通過軟件控制接觸器實現三種供電模式的平滑切換；并在硬線電路中使用接觸器輔助觸點，實現供電模式控制的硬線互鎖，保證單一供電模式的有效性和可靠性。廣州新線蓄電池電力工程車的牽引變流器采用雙DCU控制，將兩個轉向架的牽引電器分開控制（架控）。在多種供電模式的控制電路中，為確保供電模式信息的傳輸有效性，供電模式確認信息分別通過MVB和硬線送給兩個DCU控制模塊。其主電路中高速斷路器的控制指令來自DCU，為保證單個DCU隔離控制時不影響高速斷路器閉合，在高速斷路器的控制回路中增加了單DCU隔離控制回路。

1.2輔助系統

輔助系統由輔助逆變器和輔助供電回路組成，為整車提供AC380V和AC220V輔助電源。輔助逆變模塊前端配置相應的電壓（電流）傳感器，由電壓傳感器檢測系統前端輸入電壓范圍后，閉合預充電接觸器，首先對直流電容進行充電；當電壓傳感器檢測到電容電壓與輸入電壓一致后，斷開預充電接觸器，閉合短接接觸器，向后續回路供電。控制單元向變流器模塊給出逆變脈沖，逆變環節變頻啟動，輸出SPWM波，并通過電感與電容組成的LC濾波器，把SPWM波轉換成正弦波。DY型連接變壓器對交流電壓進行隔離，并給出中性點，即向輔助負載提供三相四線AC380V，50Hz或AC220V的交流電源。輔助系統中集成的斬波充電系統，由充電模塊和斬波電抗器組成，結合整車控制系統進行了邏輯上的優化設計，并通過單獨配置的可操作性較強的開關實現充電的自主控制。接觸網和第三軌充電，可通過主電路供電回路與充電機集成，庫內電源提供與電網相同電壓，可以共用電網供電時的充電電路，再送到已有的充電電路；并通過斬波電抗器的濾波，提供充電電源。這樣緊湊型的設計，有利于控制整車重量及尺寸。

1.3控制系統

電氣系統結構的復雜性導致工程車控制系統較為復雜，因此選用帶有網絡功能的微機控制系統，主要完成對主傳動系統、制動系統、輔助系統的主要設備的控制，設備監控，以及整車故障信息的提示。工程車的牽引和制動控制、運行信息和主要設備狀態監視、以及診斷系統采用分布式總線控制方式。微機控制系統采用中央控制單元集中控制，中央控制單元完成車輛控制、事件記錄以及網關功能；采用分布式的信號采集及執行模式，信號輸入輸出由數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊完成。此外，中央控制單元通過MVB總線與子控制系統、人機接口設備實現通訊。子控制系統包括牽引傳動控制單元、輔助變流器控制單元、制動控制單元以及人機接口設備。

2主要技術特點

2.1多電源制式供電的主傳動系統

廣州新線蓄電池電力工程車主傳動系統集成了接觸網、第三軌和牽引蓄電池等三種供電方式。其供電主回路中加入二極管截流設計，在硬件上有效避免接觸網或者第三軌在供電時引起串電，提高機車系統使用安全；并通過硬件互鎖設計與軟件控制相結合的方式，有效防止多電源同時供電。當然，多電源制式的供電方式，也對工程車牽引系統的電源適用范圍提出了更高的要求。

2.2輔助系統冗余設計

考慮制動系統風源的持續性，廣州新線蓄電池電力工程車輔助系統中配置了空壓機應急電源，僅用于給壓縮機供電，以保證制動系統的風源。由于僅用于給壓縮機供電，空壓機應急電源在電網供電時會顯得比較浪費，而且三種供電模式下輔助變流器的輸入電壓相差較大，控制起來復雜，輸出電壓的品質也會受到影響，因此僅考慮DC800V供電模式下的方案.空壓機應急電源在待機狀態時，其輸出與工程車的輔助變流器AC380V輸出之間應有斷路器隔斷，并具備輸出端有電檢測功能；在檢測到輸出端有外部電壓時禁止提供輸出，而同時未檢測到DC110V啟動信號，禁止輸出，以防止兩種不同相位及對地電壓的AC380V短路。在提供輸出過程中，應能承受空壓機供電中斷（即接觸器34-K01跳開）無故障，應急電源3s內將輸出電壓降低到100V/10Hz，且內部接觸器保持吸合，以保證下一階段的立即變頻啟動需求。

2.3控制系統冗余設計

蓄電池電力工程車在正常運行時，一般采用網絡控制系統對整車進行控制和監控。為保證工程車檢修作業的可靠性和及時性，廣州新線蓄電池電力工程車配備了硬線緊急牽引控制系統，當機車網絡系統出現故障且無法復位時，可將整個網絡控制系統旁路，采用硬線控制，實現機車的牽引、制動控制。硬線控制系統采用PLC編程，純硬線邏輯控制，代替網絡控制系統中的核心控制部件VCM（車輛控制單元）。整車的控制系統信號繁多，控制較為復雜，硬線緊急牽引控制選取整車關鍵的牽引信號（取自司控器）及其他相關信號（如供電模式選擇信號、主斷控制信號、受電弓受流器控制信號等）進行控制.

2.4牽引蓄電池管理系統

目前工程車上使用的大部分動力蓄電池的容量均在300~400Ah左右，這滿足工程車牽引蓄電池模式下應用的需求。廣州新線蓄電池電力工程車對于牽引蓄電池供電模式下的續航能力提出了更新的要求，440Ah的大容量蓄電池被第一次使用，因此對于蓄電池容量的監控、低容量的報警、單體電壓、單體溫度等行車重要參數的監控提出了新的要求。牽引蓄電池在工程車上的應用不同于其他，其大電流放電的隨機性（工程車短時的爬坡及加速），整組單體蓄電池之間電荷能力的一致性以及其內阻的評估是蓄電池管理系統（BMS）進行容量百分比（SOC）計算的重要評估因素。廣州新線蓄電池電力工程車蓄電池的SOC估算，結合了開路電壓和安時積分兩種估算策略，通過高精度測量確保開路電壓和電流采樣的準確度，同時系統通過高頻率的電流采集，并結合溫度對電池SOC的影響、電流大小對電池放電能力的影響等因素，確保車輛運行過程中的SOC估算準確度。在適當的時機系統通過開路電壓法對電池SOC進行修正，使得電池組在整個使用周期內SOC估算趨近于電池實際電量，提高了SOC估算精度。從應用角度考慮，過溫、過充、過放、過流以及欠壓是影響蓄電池使用的關鍵問題。BMS必須對這幾個問題進行深入分析，實時跟蹤監控。蓄電池的老化及均衡性直接影響SOC的估算精度，充電時可根據最低單體電壓來調整SOC，以保證蓄電池的飽和度；放電時可根據平均電壓來調整SOC，以保證使用需求。因此，BMS不僅要檢測整車的容量變化，更要對各個單體的性能變化進行監控，提高整組蓄電池的性能。廣州新線蓄電池電力工程車BMS對單體電壓、溫度的監控精度提出了新要求，單體電壓的監控誤差為±10mV，溫度采樣精度提升至±0.2%。

3技術平推

從技術角度講，廣州新線蓄電池電力工程車是在現有工程車平臺上的技術升級，與其他電力機車和地鐵車輛的技術是相通的。根據廣州地鐵的特殊運用需求，進行了設計優化，同時又具有自身的特點。其多種供電模式的主電路集成技術融合了目前工程車平臺已有的所有供電模式，并在多種供電模式之間實現無縫轉接控制，對于其他的工程車具備一定的通用性和可借鑒性。其兼備的多種冗余模式（硬線控制冗余、輔助系統冗余、牽引控制模塊冗余、記錄存儲單元冗余等）可在其他車型上進行平推設計。廣州新線蓄電池電力工程車的成功運用經驗，豐富了目前電力蓄電池雙能源工程車技術體系。

4結束語

廣州新線蓄電池電力工程車是我國適應范圍廣、速度最快的工程車。其獨具的硬線緊急牽引系統、緊急輔助變流器控制系統、雙DCU冗余控制系統、網絡系統總線冗余等確保了工程車應用的安全性、可靠性。關鍵技術的升級豐富了軌道工程車技術平臺，并為其他工程車的設計運用打下了良好的基礎。

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作者:郭婉露 彭新平 劉世杰 付金 劉歡 單位:中車株洲電力機車有限公司