城軌地鐵列車應急供電系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：文章記述了地鐵車輛蓄電池供電系統(tǒng)的特點和問題，并圍繞其特點和問題展開系統(tǒng)設(shè)備的選型和設(shè)計。文中結(jié)合對酸/堿性蓄電池的性能比較進行蓄電池的選型，結(jié)合蓄電池的維護保養(yǎng)需求，結(jié)合地鐵列車的輕量化設(shè)計、可靠性設(shè)計，車下設(shè)備的防水，防塵等要求詳細論述了蓄電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的諸多要求。

關(guān)鍵詞：地鐵；堿性蓄電池；蓄電池箱；輕量化；有限元分析

引言

現(xiàn)代軌道交通因其速度快，運量大，受天氣影響小，高效，環(huán)境污染小等特點得到了飛速發(fā)展，蓄電池供電系統(tǒng)作為軌道交通車輛中不可或缺的重要設(shè)備，也根據(jù)不同需求有了多樣化的發(fā)展。在城軌地鐵車輛中，由于車輛運營特點的不同，作為列車應急電源的蓄電池供電系統(tǒng)，對輕量化，小型化，長壽命，低維護，充放電性能好等提出了更高要求。

1 主要問題

城軌地鐵車輛與傳統(tǒng)的機車、客車相比，存在如下特點和問題：

（1）全列蓄電池相對集中配置，應急電能配送不均衡。傳統(tǒng)鐵路列車應急電源大多各車獨立，分散配置，地鐵列車通常為固定編組，常采用兩組蓄電池集中供電方式。（2）振動沖擊較大。地鐵運行站間距短，起動停止頻繁，起動加速率、制動減速率較大，且軌道曲線半徑小。（3）充放電電流變化大。三軌或接觸網(wǎng)的直流供電，電壓波動大，供電系統(tǒng)的充電電流沖擊較大，通常有限流措施。（4）應急電源吸收穩(wěn)壓功能。地鐵列車正常運行時，作為整流電路的濾波裝置，吸收回路上的脈沖、波動，保證直流供電系統(tǒng)的平穩(wěn)無間斷供電。（5）應急電源負荷大，容量大。在外部供電異常中斷或車輛輔助供電系統(tǒng)故障情況下供給列車應急照明、緊急通風、車載安全設(shè)備、廣播、門控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等緊急用電不低于45分鐘。（6）地鐵列車運用強度大，可靠性要求高，需要盡量縮短檢修保養(yǎng)時間；（7）地鐵列車節(jié)能要求輕量化。（8）地鐵列車主要運行在地下，防火性能要求高。

2 解決方案

應急供電系統(tǒng)由蓄電池組、蓄電池箱、電氣控制箱、連接電纜等組成，要使該系統(tǒng)更好的滿足地鐵列車的上述運行特點并解決存在的問題，須在各組件的設(shè)計、選型，以及安裝接線等方面綜合權(quán)衡。

2.1 蓄電池選型

現(xiàn)在工業(yè)常用大容量蓄電池主要有兩種，一種是使用稀硫酸作電解液的鉛酸蓄電池，另一種是使用堿性水溶液為電解液的堿性蓄電池，后者的主要代表是燒結(jié)式鎳-鎘蓄電池，主要有以下特點：（1）適于高放電率放電。鉛酸蓄電池高倍率放電性能通常<3倍，而鎳鎘蓄電池可達10倍率以上。（2）能承受較大電流，適于急充電。（3）適于低溫放電。鉛酸蓄電池使用環(huán)境溫度為-10～+35℃，而鎳鎘蓄電池使用環(huán)境溫度從-40～+55℃。（4）使用壽命長。鉛酸蓄電池使用壽命一般4～6年，而鎳鎘蓄電池可到12～15年。（5）小型、輕量。相同容量下相比，鎳鎘蓄電池體積小，重量輕。（6）維護量低，維護成本低。鎳鎘蓄電池補液周期長，且只需補加純水。（7）基于以上特點，在現(xiàn)代城市軌道地鐵車輛中，大多采用堿性蓄電池。

2.2 蓄電池組布置

蓄電池布置要結(jié)合蓄電池箱體結(jié)構(gòu)、方便檢修維護等任務考慮，需要綜合權(quán)衡如下要求：（1）各蓄電池單體均至少有一側(cè)可觀察液面；（2）一次安放/取出的單個或多個蓄電池總重不應超出25kg，保證單人可以完成；（3）電池小車之間的連線要防止小車歸位后擠壓或與其他部件磨損；（4）拉出電池小車的力不大于200N，保證單人可輕松拉出小車；（5）拉出小車后，保證所有蓄電池有足夠的加液、清潔等維護檢修空間。

2.3 蓄電池箱的設(shè)計

蓄電池箱主要由箱體、箱門、電池臺車等組成，用于保護固定蓄電池。防護等級一般為IP54以上，同時能與箱體外部大氣呼吸。

2.3.1 箱體的設(shè)計

將蓄電池箱與蓄電池電氣控制箱設(shè)計為一個整體，具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量減輕，占空間小，與車體接口少，安裝方便，布線簡單等優(yōu)點。同時，箱體與車輛的接口應結(jié)合車體的結(jié)構(gòu)一體考慮，以進一步降低箱體自身與車輛局部的重量。

（1）首先，在方案設(shè)計階段確定箱體合適的外形及安裝結(jié)構(gòu)。（2）綜合不同全壽命周期和輕量化設(shè)計要求確定箱體材料。（3）可行性分析。采用有限元分析校核箱體的機械強度。（4）由于在過充電時，堿性蓄電池電解液中的水會被不斷電解成H2和O2，因此必須在箱體頂部設(shè)置通風過濾裝置，保障蓄電池工作時的通風，同時阻止灰塵進入箱體。

2.3.2 箱門的設(shè)計

采用下導軌形式的蓄電池箱體，其箱門在打開狀態(tài)須承受蓄電池小車重量而不變形，在關(guān)閉狀態(tài)須有可靠的鎖緊裝置，保證車輛運行振動和沖擊下箱門不松動，脫開。臺車導軌末端須設(shè)止擋，防止蓄電池臺車滑出導軌，在箱門不夠高（箱體的高度受車輛設(shè)備限界限制），導軌不夠長時，可設(shè)計成折疊式導軌伸出箱門，以保證電池臺車能充分拉出蓄電池箱，方便蓄電池的維護檢修。箱門上應有密封膠條保障箱體的密封性能。采用側(cè)面導軌時可以進一步降低箱體高度。

2.4 電池臺車

電池臺車由臺車箱體、臺車滑輪、臺車拉手、止動擋塊和電池盒組成，前后橡膠止動塊分別頂住蓄電池箱門和箱體背板，使得電池臺車在箱體內(nèi)不出現(xiàn)竄動。臺車滑輪應鑲嵌軸承，以使拉動電池臺車輕便靈活。臺車箱體及電池盒內(nèi)表面應噴涂耐酸堿電解液腐蝕的涂層，也可在臺車內(nèi)使用耐酸堿的玻璃鋼盒進行防護，同時，在臺車底部設(shè)計可方便拆卸的漏液收集盒。

2.5 蓄電池電氣控制箱

蓄電池電氣控制箱容納相關(guān)的控制保護元器件，采用焊接或螺栓聯(lián)接的方式與蓄電池箱做成一體，箱門應方便拆下，同時應有密封條。電氣元件的布置要整齊、美觀、便于觀察、操作、接線及檢修，同時應考慮電磁兼容性。另外，系統(tǒng)的電纜及所有非金屬件都應有良好的防火性能，并應滿足相關(guān)的國際防火標準。

2.6 可維修性分析

最好的設(shè)備是免維護，不需要日常保養(yǎng)維修。而對于車輛壽命周期內(nèi)蓄電池供電系統(tǒng)的日常維修保養(yǎng)工作有：（1）蓄電池加液；（2）蓄電池電極清潔，防止接地；（3）蓄電池電氣箱器件吹掃清潔；（4）蓄電池電氣箱更換受損元器件；（5）更換蓄電池單體；（6）車輛長期停用時定期充電。對于如上維修保養(yǎng)工作，在設(shè)計階段采取了前述各方面的應對措施。

2.7 應用情況與發(fā)展趨勢

隨著城軌地鐵列車的快速發(fā)展，本文所述的設(shè)計及技術(shù)已在近年的一些地鐵項目上得到了應用，如沈陽二號線地鐵，天津3號線地鐵，北京昌平線等。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，蓄電池的一些新極板開始得到應用，蓄電池正在進一步小型化、輕量化，同時有更大容量，更高效，需更少的維護。而隨著鎳氫電池、鋰離子電池等新型電池在工業(yè)中的應用，也許在不久的將來，城軌地鐵車輛中也將出現(xiàn)這些新型電池，而鋁合金等材料的應用也將使蓄電池箱的重量大大減輕。

3 結(jié)束語

開展本項工作之前，學習借鑒過部份國內(nèi)外機車車輛產(chǎn)品。本文中的蓄電池箱體設(shè)計是利用三維設(shè)計工具進行的，具體設(shè)計流程本文未做敘述，可以參見相關(guān)三維模型設(shè)計文章。

參考文獻

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