北京地鐵16號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）

北京地鐵16號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）

根據北京地鐵16號線蓄電池牽引特點，對蓄電池牽引方案進行了分析，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。根據具體需求分析仿真典型工況的蓄電池能力輸出，并根據仿真結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號線全長49.85 km，全部為地下線路，共設地下車站29座，在線路的南北端分別設置停車場和車輛段。列車采用6動2拖8輛編組 A 型車，全線接觸網受電。一般情況下，弓網受電作為北京地鐵16號線的正常牽引模式，一旦弓網受電出現故障，蓄電池牽引可以作為緊急牽引使用。北京地鐵16號線根據4號線已有的蓄電池牽引的經驗，對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時間和牽引速度等。北京地鐵16號線增加蓄電池牽引的主要作用為：①外部電源、接觸網等供電故障時，利用列車自帶的蓄電池作為動力牽引，列車以一定的速度行駛至最近的車站，進而疏散乘客，減少對乘客出行的影響和列車被救援的概率，因為列車救援會對正常運營造成極大的影響；②可以在車輛段內方便地進行調車、洗車作業，這可作為車輛段內移車的主要方式，而接觸網受流方式作為段內作業輔助手段；③可以取消牽引系統的車間電源功能，節省部分投資。

2 蓄電池牽引功能需求分析

由于對16號線列車蓄電池牽引的預期功能要求較高，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置，同時考慮提高列車牽引用蓄電池的利用率，將以前需要 DC110V 供電的緊急通風功能轉為由牽引用的蓄電池供電實現。為了減少蓄電池牽引時的輸出電流，需要提高蓄電池牽引的輸出電壓，同時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品主要有2種：膠體鉛酸蓄電池和纖維結構電極式鎳鉻蓄電池。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。

在對蓄電池選型時，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，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。

（2）運營維護少。蓄電池的維護工作要安全，維護周期長。由于膠體鉛酸蓄電池把電解液由液體轉為膠體后減少了后期加液的維護，而且減少了后期加液維護的安全風險，而堿性蓄電池需要周期性地加液維護。

（3）蓄電池要安全環保同時兼顧性價比。膠體電解液在充放電時沒有氣霧的排出，而堿性的液體電解液存在溢出及充放電時氣霧排出。相同能量的蓄電池比較，鉛酸蓄電池的質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。根據運營單位的需求和運營單位以前的使用維護經驗，堿性蓄電池的維護存在風險，經分析評估后，16號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對蓄電池應用的工況分析確定，16號線增加的牽引蓄電池主要考慮了以下2個方面。

（1）在供電故障情況下，蓄電池牽引發揮疏散乘客的作用。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到最大載荷，在確定蓄電池牽引能力時需考慮 AW3載荷工況。供電故障可能出現在運營區間任一位置，需要考慮蓄電池牽引運行至最近車站的能力，牽引方向可以是前進或后退。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號線對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，將以前設計的 DC110V 蓄電池供電的緊急通風功能轉由緊急牽引蓄電池組供電，同時用于緊急牽引的蓄電池組可用于車輛段內的調車及洗車作業。

2.3 蓄電池牽引投入條件分析

蓄電池牽引在外部電源、接觸網供電故障時啟動，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（列車網絡故障模式）。基本控制思路為設置蓄電池牽引開關，當蓄電池牽引開關激活后，判斷蓄電池牽引的使能條件是否滿足，當條件滿足后，列車轉入蓄電池牽引狀態。還需設置蓄電池牽引復位條件，當蓄電池牽引復位條件滿足時，停止蓄電池牽引。

2.3.1 正常蓄電池牽引模式

向牽引系統發送蓄電池牽引使能信號，在滿足以下條件時使能信號有效：

（1）非 ATO 模式；

（2）司機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，牽引系統內部的控制系統判斷以下條件均滿足時，輸出蓄電池牽引接觸器閉合指令：

（1）司機控制器主控手柄位于非牽引位置；

（2）司機控制器方向手柄不處于零位；

（3）高速斷路器位于斷開狀態；

（4）隔離接地開關位于正常運行位；

（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完成中間回路充電，等待司機發出蓄電池牽引力參考命令。

蓄電池牽引使能信號的復位條件滿足以下任一個即復位：

（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）網絡判斷有牽引指令幾秒后，保持制動仍未緩解。

2.3.2 備用模式

同時滿足以下條件時，蓄電池牽引使能有效：

（1）蓄電池牽引開關激活；

（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切換正常。

以上蓄電池牽引使能條件滿足后，牽引系統自動完成中間回路充電，等待司機發出牽引力參考命令后，進入蓄電池牽引。

蓄電池牽引使能信號的復位條件滿足以下任一個即復位：

（1）蓄電池牽引開關激活丟失；

（2）方向手柄位于零位；

（3）緊急逆變器停止工作；

（4）輸出電壓低于設置值；

（5）牽引系統判斷其他需要復位保護的條件。

3 蓄電池能力仿真

為了達到蓄電池緊急牽引時牽引輸出力的可控性，蓄電池緊急牽引設置的輸出牽引力為1檔設置。結合上述對蓄電池能力的分析，并考慮北京地鐵16號線實際線路情況，即荷載、坡道、運行速度等條件，選擇了最具代表性的區段線路：達官營站至紅蓮南里站之間一段9.85‰ 坡道起點至紅蓮南里站為車輛蓄電池牽引運營工況的仿真線路。

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，啟動列車爬900 m 長的10‰ 坡道，繼續行駛走2‰ 坡道到站。

車輛的速度-時間曲線見圖1。

圖1 車輛速度-時間曲線

仿真采樣周期為0.1 s，車輛總共運行時間779 s，其中運行至900 m 坡道頂端時間為674 s。車輛在10‰ 坡道上最大運行速度約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

整個運行過程中，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。上述所有相關電流、功率、能耗等參數為蓄電池牽引輸入參數，并非蓄電池的輸出參數。

通過對北京地鐵16號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間蓄電池牽引的功率消耗。

4 蓄電池容量選型

用于16號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緊急通風的耗能。緊急通風的耗能分為3個階段：第1階段為蓄電池牽引前準備階段的緊急通風，第2階段為蓄電池牽引階段的緊急通風，第3階段為蓄電池牽引后疏散階段的緊急通風。本文不詳細討論緊急通風的工作模式，綜合考慮緊急通風的用電和牽引用電以及酸性蓄電池的參數，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用業績為12 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 的成熟業績，各種不同溫度下的放電特性曲線（2倍率）對比見圖5。

圖4 蓄電池箱體方案對比圖（單位：mm）

圖5 2倍率放電特性曲線對比

從2個方案放電能力曲線對比中可知，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要求等，蓄電池組選擇了6 V、180 Ah 的方案。

5 總結及建議

本文介紹的蓄電池牽引方案以滿足運營的需求展開分析，在明確需求后對典型工況進行了蓄電池能力的仿真分析，并對蓄電池的選型進行了說明。對城軌車輛蓄電池牽引的設計具有一定的參考價值和借鑒意義。

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單位綜合考慮其可靠性和經濟性。

[1] 唐志儂. 地鐵列車常用蓄電池選型技術經濟性分析及選型建議[J]. 現代城市軌道交通，2014（1）：56-62.

[2] 北京地鐵16號線電動客車采購合同文件[G].2015.

[3] 北京地鐵16號線電氣牽引系統采購合同文件[G]. 2015.

責任編輯 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