中国中车长春轨道客车股份有限公司 吉林省长春市 130000
摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，铁路建设也越来越完善。基于某型动车组牵引及辅助系统设计架构，分析了在现有牵引及辅助系统上通过采用钛酸锂电池、双向充电机实现蓄电池供电自走行技术方案的可行性，并通过了试验验证，为该技术在动车组上的应用提供了技术支持。
关键词：动车组；自走行；蓄电池；选型
引言
在铁路运输的日常运营中不可避免地会由于天气原因或者设备故障造成牵引供电网断电，从而导致动车组失去牵引动力和线路长时间被占用，降低了线路的利用率，并造成经济损失。动车组技术条件规定，列车在无供电网状态下应具备一定的应急走行功能，即当列车发生断电事故时，列车可以通过车载储能装置进行应急自走行，提高救援效率，降低潜在的安全隐患。动车组处于应急状态时，列车所有能量全部由车载储能装置提供，包括列车应急运行阶段的牵引传动系统能量和空调（通风）、照明所需电能。
1车辆无电网自走行技术现状
城轨交通车辆的无电网自走行是指通过车载电池系统装置提供电能，牵引车辆低速运行。根据车辆运行工况（正线坡道或者库内平直道）和速度需求的不同，车载电池系统的输出功率及输出回路控制方式也不同。如果无电网自走行应用的场景仅限于车辆段调车检修，则车辆运行速度达到3～5km/h即可满足需求；如果无电网自走行应用场景是实现正线载客自救援，则车辆运行的最高速度一般需达到20km/h。车辆无电网自走行的应用场景主要分为两种：①线路区间输电和供电设备故障造成供电中断时，可利用车载电池系统牵引车辆到最近的车站，组织乘客疏散，减少对乘客出行的影响；②列车为第三轨供电，当列车回库时可利用车载电池系统牵引，在库内不用铺设供电轨，保证作业人员的安全。目前，国外城轨交通车辆生产厂家如西门子、庞巴迪等公司在一些城轨交通车辆上使用了蓄电池自牵引技术。近年来，国内牵引系统供应商和整车生产厂家也开始研究和应用该项技术，北京、上海、深圳、无锡、天津、武汉及青岛等地的城轨交通车辆纷纷提出蓄电池牵引的需求，包括已运营车辆的改造。车辆无电网自走行技术的应用在提高运营效益的同时，也额外增加了车辆质量和一次性投入成本，因此在方案设计时，需要结合实际运营需求合理确定无电网自走行的能力，如车辆载荷、运行坡道、运行速度、运行距离、起动加速度等技术参数要求，从而有效控制增加设备的质量、体积及成本，实现最优的车辆无电网自走行功能。
2车辆无电网自走行供电系统
2.1应急自走行模式
当全列主断断开，受电弓降下时，司机进入应急自走行界面点击“启动应急自走行”按键，选择相应车辆后点击“启动”按键。网络判断以下条件满足后，允许将激活指令发给相应的双向充电机和牵引变流器进入应急自走行模式：①本列受电弓未升起；②本列主断未闭合；③未处于无火回送状态、未处于救援状态或被救援或外接供电或接地A钥匙不在接地位、未在紧急牵引模式下；④列车司机室已占用，司机已点击应急自走行启动按键；⑤网络与本列所选的牵引变流器（2/4/5/7车）及本列双向充电机间通信状态正常；⑥充电机允许进入AC/DC逆变工况（其判断依据如：动力蓄电池电压高于设定值且电量高于50%；单台充电机至少一个AC/DC或至少一个DC/DC无故障；输入和输出接触器状态无异常，无其他重大故障）；⑦紧急断电按钮在正常位；⑧AC380V母线未断开；⑨牵引变流器允许进入应急自走行工况（其判断依据如：牵引变流器四象限、牵引逆变器、辅助变流器未激活，逆变器激活后若无异常则忽略此条件；无接地、短路、泄放、功率模块故障等重大故障）；⑩所选相邻牵引变流器的分线箱接触器处于断开状态。若上述条件均满足，TCMS首先闭合所选牵引变流器相对应的分线箱接触器，若接触器闭合则向充电机发出AC/DC逆变启动信号，若接触器未正确闭合则不向充电机发出AC/DC启动信号，并提示故障。
2.2蓄电池能力仿真
锂电池具备快速充放电的电气特性，为保证现车的安全并结合现车直流负载与双向充电机额定功率，约定锂电池组充电电流为260Ａ，精度±5％。锂电池本身有内阻特性，若降低充电电流，电池电压也会相应降低。
2.3环境适用性分析
3种电池中，低温性能最佳的是钛酸锂电池，三元锂电池与磷酸铁锂电池的低温性能相近，特别是磷酸铁锂电池，在0℃以下不允许充电。这是因为在低温环境下，锂离子在石墨负极表面堆积，产生析锂枝晶，造成安全隐患，因此无法低温充电。钛酸锂电池特有的三维锂离子通道，可减小低温时锂离子扩散变慢的影响，低温下容量保持率更高。考虑到地铁车辆-25℃的运行环境需求，磷酸铁锂电池系统需要增加加热和保温措施来满足车辆性能需求，这不仅增加了系统的复杂性和成本，也降低了系统的可靠性和可用性。因此，钛酸锂电池更适用于城轨交通装备。
2.4注意事项
在启动空调应急供电功能过程中，司机点击启动牵引变流器应急自走行时，TCMS按照进入应急自走行模式的前提条件进行判断，若条件满足，TCMS首先闭合所选牵引变流器相对应的分线箱接触器，若接触器闭合则向牵引变流器发出应急自走行启动信号，若接触器未正确闭合则不向牵引变流器发出应急自走行启动信号，并提示故障。分线箱接触器正确闭合后，TCMS控制所选的牵引电机风机、牵引变流器水泵及风机等启动，并控制本列单台空压机根据既有逻辑启动；均无异常后，TCMS向所选的牵引变流器发出应急自走行启动信号，并延时后向充电机发出应急自走行模式启动信号。待所选的牵引变流器反馈已完成应急自走行准备后，HMI上点亮“启动应急自走行”功能按键前的绿色图标，提示司机已经进入。选择2车或4车应急自走行，默认仅启动1车双向充电机；选择5或7车应急自走行，默认仅启动8车双向充电机。若在仅启动单台牵引变流器应急走行过程中，司机点击启动空调应急供电功能时，TCMS按照进入空调应急供电的前提条件进行判断，激活未运行的双向充电机，待2台双向充电机均反馈已进入逆变工作模式后，HMI上点亮“启动空调应急供电”功能按键前的绿色图标，提示司机已经进入。在进入应急自走行模式下，恒速功能不可用，手柄默认级位模式，牵引变流器不施加再生制动。
结语
综上所述，城轨交通车辆无电网自走行技术的应用可以实现车辆在无外部电网电力供电情况下的灵活移车，大大提高应急处置效率和应急救援系统的灵活性，避免乘客恐慌、无序疏散等引起的踩踏事故。在某些特殊情况下（如短区域内断电等），仍然可以使城轨交通网络保持通畅运营。对于采用第三轨供电的城轨交通车辆，车辆无电网自走行可以避免入库列车采用工程车推送或采用滑触线供电牵引，进而提高库内车辆检修效率。
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