城市軌道交通車輛應急啟動電路改進及控制方法優化方案

邸 峰 張 坤 曾凡飛 王 博 馬升潘

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，266111，青島；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師)

城市軌道交通列車啟動分為正常啟動和應急啟動[1]。當蓄電池發生故障或嚴重虧電，列車無法依賴蓄電池進行正常激活時，可通過應急啟動電源為充電機提供控制電路所需的DC 110 V電源，使充電機完成啟動；待直流母線電壓能滿足車輛負載供電要求時，應急啟動電源即可退出工作，列車完成激活。目前，新建城軌項目通常要求充電機在應急啟動模式下不僅需為列車虧電的蓄電池充電，還需為列車DC 110 V負載供電。蓄電池牽引應用的加入，使列車應急啟動功能的使用概率大幅提高，也對其操作的便利性和可靠性要求相應提高。因此，有必要針對此問題進行優化研究。

1 應急啟動模式工作原理及問題

1.1 應急啟動工作原理

應急啟動模式工作原理框圖如圖1所示，當列車蓄電池欠壓時，因蓄電池箱內欠壓繼電器QC1保護，蓄電池無法投入，列車不能正常激活，充電機也不能正常啟動。此時，需要通過應急啟動電源為充電機提供控制電源。該電源能夠將高壓(DC 1 500 V或DC 750 V)供電轉換為DC 110 V供電，并可通過采樣檢測蓄電池電壓實現滯環控制應急啟動電源啟停。本文以應急啟動電源檢測到蓄電池電壓小于88 V時設備啟動，大于96 V時設備停機為例進行說明。

圖1 應急啟動模式工作原理框圖

在列車高壓供電正常后，應急啟動電源如檢測到蓄電池欠壓，則自動啟動，同時司機室內應急啟動電源提示燈點亮。當提示燈點亮后，司機按下應急電源輸出按鈕，即可為本車充電機控制器提供DC110V控制用電，進而保證充電機正常啟動輸出以激活列車，并為蓄電池充電。應急啟動電源在檢測到蓄電池電壓高于96 V后自動停機。

1.2 目前應急啟動存在的問題

近年來，在新建項目中已普遍應用的城市軌道交通車輛應急啟動功能逐步暴露出一些問題。

1) 電壓尖峰問題。按照方案設計，應急啟動電源在檢測到蓄電池電壓大于96 V后將自動停機，列車負載轉為由充電機供電。在實際應用中，充電機輸出電壓尖峰峰值雖已達96 V，并使應急啟動電源停機，但此時充電機輸出仍未完全穩定，因控制器供電丟失則充電機啟動失敗。相應實景圖如圖2所示。

圖2 應急啟動模式下輸出電壓尖峰沖擊工況實景圖

2) 負載沖擊問題。目前，在城市軌道交通車輛中，除空調及空壓機等大功率設備采用AC 380 V供電外，照明、LCD(液晶顯示器)屏幕、電子地圖及各系統控制器等設備均采用DC 110 V供電。可見， DC 110 V負載多為容性負載。容性負載因其自身的物理特性，在啟動時會給供電端帶來遠大于自身功率的沖擊電流。在正常啟動工況下，該沖擊電流由蓄電池承擔；而在應急啟動工況下，設備在得電瞬間所受沖擊電流較大，易觸發充電機短路保護，導致充電機停機，啟動失敗。以濟南市軌道交通R2線車輛為例，其應急啟動瞬間沖擊電流高達608 A，如圖3所示。目前，主要通過在啟動前切除列車大功率負載等更改應急啟動操作的方法來解決應急啟動瞬間大沖擊電流的問題，操作方法如下：首先，切除列車大功率負載，然后應急啟動列車充電機為蓄電池預充電；待蓄電池電壓滿足正常啟動要求后，退出應急啟動模式，之后再正常激活列車[2]；充電機工作穩定后，再逐步投入列車負載。該操作過程需斷合數十個斷路器，較為繁瑣，操作的復雜性高，不適于應急應用。

圖3 應急啟動模式下負載沖擊波形實景圖

2 優化方案

針對應急啟動模式存在的問題，本文結合應急啟動電路與控制方法進行優化。

2.1 應急啟動電源的啟停邏輯優化

針對電壓尖峰問題，可在電源啟停控制邏輯中增加延時控制功能，以實現對啟停控制的濾波。優化后的控制邏輯框圖如圖4所示。圖4中，在電源啟停條件中均加入10 s延時控制，可有效避免電源的誤啟動及誤停機。此外，在控制算法中，將應急啟動模式的充電機最高輸出電壓限制為95 V，且該限制持續80 s。該優化方法從算法層面對充電機輸出電壓進行優化控制，減少電壓尖峰的出現。

圖4 應急啟動電源啟停邏輯

2.2 應急啟動控制電路優化

針對負載沖擊問題，可優化列車應急啟動控制電路。在優化電路中，將充電機輸出電壓作為應急啟動工況下列車DC 110 V負載投入的控制信號。當充電機輸出電壓能滿足負載投入接觸器線圈的吸合電壓時，負載投入。該優化措施避免了充電機在啟動初期帶載啟動造成的充電機啟動失敗。但在負載投入時，充電機仍會受到較大電流的沖擊，需要結合后續控制方法進行調節。

列車兩端分別為Tc(帶司機室的拖車)1車和Tc2車，其應急啟動信號的列車布置如圖5所示。在充電機輸出回路正線處，引出接線通過連接器X14.17連接到整車回路，傳輸應急啟動工況列車負載投入使能信號，并將應急啟動電源輸出端接到蓄電池箱欠壓繼電器(即圖6中繼電器KVGB1，其欠壓保護設置值為82 V)前端。

圖5 應急啟動信號列車布置示意圖

列車在蓄電池虧電時發出應急啟動命令，隨后，應急啟動工況下蓄電池箱欠壓繼電器強制投入，建立負載投入接觸器線圈的控制回路。其中，應急啟動電源輸出信號由列車貫通線傳送，故任一車應急啟動電源的對外輸出均可供全車蓄電池充電機控制用電，并給出全車蓄電池箱中欠壓繼電器欠壓狀態的旁路信號。負載投入使能信號則僅連接至本車蓄電池箱中負載投入控制回路。司機發出應急啟動信號后，全車充電機控制器得電，蓄電池箱欠壓繼電器復位，待充電機啟動輸出且各充電機負載投入使能信號給出后，相應蓄電池箱負載投入接觸器閉合。此時，不需司機或操作人員再去進行任何操作即可實現全列車充電機與負載的激活，進而實現應急啟動功能的一鍵啟動，具有高效便捷性。此外，按照該優化方案執行應急啟動時，列車2臺充電機同時啟動，整車負載沖擊由2臺充電機共同承擔，也可進一步降低應急啟動工況下，充電機啟動瞬間，負載帶來的瞬時沖擊。

優化的列車應急啟動控制電路如圖6所示。其中：QAGB為蓄電池箱輸出隔離開關，處于常閉狀態；QFGB為負載投入信號保護斷路器，也處于常閉狀態。當列車蓄電池虧電，需執行應急啟動功能時，列車通過腳踏升弓或車間電源等方式接入高壓供電；待應急啟動電源得到高壓供電，且檢測到蓄電池欠壓啟動輸出DC 110 V電壓后，列車應急啟動功能指示燈亮起；此時，司機按下應急啟動按鈕，欠壓繼電器KVGB1線圈得電動作，時間繼電器KTGB(斷電延時30 s)線圈控制回路建立；待充電機輸出電壓滿足線圈吸合電壓后，繼電器KTGB動作，KTGB常開觸點閉合，負載接觸器KMGB2的線圈控制回路建立，接觸器KMGB2閉合，列車負載投入，由充電機供電。

圖6 優化的列車應急啟動控制電路

2.3 應急啟動控制方法優化

優化后的應急啟動控制電路，同樣會面臨負載沖擊問題。因此，需基于優化后的控制電路對應急啟動控制方法進行優化。

在采用優化后電路進行實車試驗時發現，由于軌道交通用繼電器驅動電壓范圍較廣(以110 V繼電器為例)，故當充電機輸出電壓達到67 V時，負載投入繼電器動作，整車負載接入到列車DC 110 V母線。此時，由于容性負載突加，在充電機輸出端會有較大的沖擊電流，易導致充電機瞬間觸發短路保護，應急啟動失敗。因此，在應急啟動時需設置控制器對輸出電流進行實時監測。當輸出電流大于限流值時，控制器迅速降低輸出電壓給定值，減小IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)驅動信號的占空比輸出，避免電流繼續升高；在避開大電流沖擊后，控制器繼續升高輸出電壓。該控制過程類似于充電機為列車DC 110 V容性負載進行了一次預充電。

經過首次充電后，容性負載有初始存儲電壓U0。受容性負載特性影響，啟動瞬間的電流I如式(1)所示。

(1)

式中：

U——目前施加在容性器件上的電壓；

U0——容性器件的初始電壓；

Req——電路等效阻抗；

t——工作時間，啟動瞬間t=0；

C——容性器件等效容值。

對于同一設備來說，C和Req為定值。經過模擬預充電后，容性負載再次接受充電機輸出的電壓時將不會有較大電流沖擊，可以保證充電機正常啟動。啟動后，充電機輸出電壓逐漸升高；待充電機輸出電壓達到95 V后(該電壓值可按需調整)，限制充電機輸出最高電壓為95 V，且限制持續80 s，以確保應急啟動電源不會因檢測到瞬間較高電壓而停止輸出；之后，充電機恢復正常模式工作。優化后的應急啟動控制方法流程如圖7所示。

圖7 優化后的應急啟動控制方法流程圖

2.4 優化效果驗證

基于優化后的應急啟動電路及控制方法，在濟南市軌道交通R2線對車輛進行試驗，其工作效果良好，試驗波形如圖8所示。由圖8可以看出：在列車負載投入后，優化后的控制方法可有效減小容性負載瞬間充電導致的電流尖峰；經過短暫的電壓調整，充電機即可恢復正常輸出，完成充電機應急啟動，使列車激活成功。

圖8 充電機輸出電壓、輸出電流試驗波形圖

優化后應急啟動控制過程的電壓及電流如圖9所示。

圖9 優化后應急啟動控制過程圖

由圖9可以看出：充電機輸出電壓升至95 V后，維持運行約80 s，而后恢復正常模式運行；整個過程運行穩定平滑，符合預期設定工況。重復進行多次試驗發現，采用優化后的應急啟動電路及控制方法后，試驗結果均滿足應用要求。

利用優化的應急啟動電路配合優化的控制方法，不僅可以顯著降低容性負載投入對充電機造成的電流沖擊，而且保證了應急啟動操作的便利性，實現了一鍵啟動，提高了應急啟動功能的可用性。

3 結語

分析了現有城市軌道交通車輛在應急啟動模式下存在的問題，針對性提出優化的應急啟動電路并對相應控制方法進行優化，解決了列車在蓄電池虧電工況下直接帶載啟動而造成的充電機過流停機問題，對啟動過程中存在應急啟動電源停機的問題進行優化，實現了應急啟動的一鍵啟動激活列車。

本文提出的應急啟動電路及控制方法已在濟南軌道交通R2線上進行了試驗。試驗效果良好，驗證了優化應急啟動電路及優化控制方法的可用性和有效性。