线蓄电池电力工程车电气系统设计

摘要：介绍了广州新线蓄电池电力工程车的主要技术特点，对电气系统关键技术及设计难点进行分析说明，并探讨了关键设计项点的平推及应用。

关键词：蓄电池电力工程车；电气系统；设计

0引言

现代轨道交通装备越来越趋于向多种供电模式发展，双能源的蓄电池电力工程车因其低污染性、零排放性及高可靠性，已基本取代内燃机车，被广泛应用于地铁线路工程维护及地铁车辆检修，目前已成功运用在新加坡、澳大利亚及国内的香港、广州等地区。广州新线蓄电池电力工程车，是在消化吸收既有工程车设计平台的基础上进行技术创新的成果。该车型集成了双DCU（牵引控制单元）设计、核心控制冗余设计、硬线逻辑冗余控制设计等特点，满足广州地区地铁车辆的检修及应急牵引需要。

1电气系统

1.1主传动系统

不同于传统地铁车辆的主传动系统，广州新线蓄电池电力工程车主传动系统集成了接触网供电、第三◆研究开发◆Vol.41No.3May20th，2018轨供电、牵引蓄电池供电及其相应的供电模式转换控制电路等。因此，牵引蓄电池电压的参数选择，多种供电模式下牵引电路的集成设计及与其他部分电路的匹配方式等，成为广州新线蓄电池电力工程车主传动系统设计的重要内容。广州地铁供电系统有第三轨DC1500V和接触网DC1500V两种供电方式，在网轨巡检时（第三轨和接触网断电），整车由DC800V牵引蓄电池供电。针对上述三种供电方式，广州新线蓄电池电力工程车采用集成控制电路，通过软件控制接触器实现三种供电模式的平滑切换；并在硬线电路中使用接触器辅助触点，实现供电模式控制的硬线互锁，保证单一供电模式的有效性和可靠性。广州新线蓄电池电力工程车的牵引变流器采用双DCU控制，将两个转向架的牵引电器分开控制（架控）。在多种供电模式的控制电路中，为确保供电模式信息的传输有效性，供电模式确认信息分别通过MVB和硬线送给两个DCU控制模块。其主电路中高速断路器的控制指令来自DCU，为保证单个DCU隔离控制时不影响高速断路器闭合，在高速断路器的控制回路中增加了单DCU隔离控制回路。

1.2辅助系统

辅助系统由辅助逆变器和辅助供电回路组成，为整车提供AC380V和AC220V辅助电源。辅助逆变模块前端配置相应的电压（电流）传感器，由电压传感器检测系统前端输入电压范围后，闭合预充电接触器，首先对直流电容进行充电；当电压传感器检测到电容电压与输入电压一致后，断开预充电接触器，闭合短接接触器，向后续回路供电。控制单元向变流器模块给出逆变脉冲，逆变环节变频启动，输出SPWM波，并通过电感与电容组成的LC滤波器，把SPWM波转换成正弦波。DY型连接变压器对交流电压进行隔离，并给出中性点，即向辅助负载提供三相四线AC380V，50Hz或AC220V的交流电源。辅助系统中集成的斩波充电系统，由充电模块和斩波电抗器组成，结合整车控制系统进行了逻辑上的优化设计，并通过单独配置的可操作性较强的开关实现充电的自主控制。接触网和第三轨充电，可通过主电路供电回路与充电机集成，库内电源提供与电网相同电压，可以共用电网供电时的充电电路，再送到已有的充电电路；并通过斩波电抗器的滤波，提供充电电源。这样紧凑型的设计，有利于控制整车重量及尺寸。

1.3控制系统

电气系统结构的复杂性导致工程车控制系统较为复杂，因此选用带有网络功能的微机控制系统，主要完成对主传动系统、制动系统、辅助系统的主要设备的控制，设备监控，以及整车故障信息的提示。工程车的牵引和制动控制、运行信息和主要设备状态监视、以及诊断系统采用分布式总线控制方式。微机控制系统采用中央控制单元集中控制，中央控制单元完成车辆控制、事件记录以及网关功能；采用分布式的信号采集及执行模式，信号输入输出由数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块完成。此外，中央控制单元通过MVB总线与子控制系统、人机接口设备实现通讯。子控制系统包括牵引传动控制单元、辅助变流器控制单元、制动控制单元以及人机接口设备。

2主要技术特点

2.1多电源制式供电的主传动系统

广州新线蓄电池电力工程车主传动系统集成了接触网、第三轨和牵引蓄电池等三种供电方式。其供电主回路中加入二极管截流设计，在硬件上有效避免接触网或者第三轨在供电时引起串电，提高机车系统使用安全；并通过硬件互锁设计与软件控制相结合的方式，有效防止多电源同时供电。当然，多电源制式的供电方式，也对工程车牵引系统的电源适用范围提出了更高的要求。

2.2辅助系统冗余设计

考虑制动系统风源的持续性，广州新线蓄电池电力工程车辅助系统中配置了空压机应急电源，仅用于给压缩机供电，以保证制动系统的风源。由于仅用于给压缩机供电，空压机应急电源在电网供电时会显得比较浪费，而且三种供电模式下辅助变流器的输入电压相差较大，控制起来复杂，输出电压的品质也会受到影响，因此仅考虑DC800V供电模式下的方案.空压机应急电源在待机状态时，其输出与工程车的辅助变流器AC380V输出之间应有断路器隔断，并具备输出端有电检测功能；在检测到输出端有外部电压时禁止提供输出，而同时未检测到DC110V启动信号，禁止输出，以防止两种不同相位及对地电压的AC380V短路。在提供输出过程中，应能承受空压机供电中断（即接触器34-K01跳开）无故障，应急电源3s内将输出电压降低到100V/10Hz，且内部接触器保持吸合，以保证下一阶段的立即变频启动需求。

2.3控制系统冗余设计

蓄电池电力工程车在正常运行时，一般采用网络控制系统对整车进行控制和监控。为保证工程车检修作业的可靠性和及时性，广州新线蓄电池电力工程车配备了硬线紧急牵引控制系统，当机车网络系统出现故障且无法复位时，可将整个网络控制系统旁路，采用硬线控制，实现机车的牵引、制动控制。硬线控制系统采用PLC编程，纯硬线逻辑控制，代替网络控制系统中的核心控制部件VCM（车辆控制单元）。整车的控制系统信号繁多，控制较为复杂，硬线紧急牵引控制选取整车关键的牵引信号（取自司控器）及其他相关信号（如供电模式选择信号、主断控制信号、受电弓受流器控制信号等）进行控制.

2.4牵引蓄电池管理系统

目前工程车上使用的大部分动力蓄电池的容量均在300~400Ah左右，这满足工程车牵引蓄电池模式下应用的需求。广州新线蓄电池电力工程车对于牵引蓄电池供电模式下的续航能力提出了更新的要求，440Ah的大容量蓄电池被第一次使用，因此对于蓄电池容量的监控、低容量的报警、单体电压、单体温度等行车重要参数的监控提出了新的要求。牵引蓄电池在工程车上的应用不同于其他，其大电流放电的随机性（工程车短时的爬坡及加速），整组单体蓄电池之间电荷能力的一致性以及其内阻的评估是蓄电池管理系统（BMS）进行容量百分比（SOC）计算的重要评估因素。广州新线蓄电池电力工程车蓄电池的SOC估算，结合了开路电压和安时积分两种估算策略，通过高精度测量确保开路电压和电流采样的准确度，同时系统通过高频率的电流采集，并结合温度对电池SOC的影响、电流大小对电池放电能力的影响等因素，确保车辆运行过程中的SOC估算准确度。在适当的时机系统通过开路电压法对电池SOC进行修正，使得电池组在整个使用周期内SOC估算趋近于电池实际电量，提高了SOC估算精度。从应用角度考虑，过温、过充、过放、过流以及欠压是影响蓄电池使用的关键问题。BMS必须对这几个问题进行深入分析，实时跟踪监控。蓄电池的老化及均衡性直接影响SOC的估算精度，充电时可根据最低单体电压来调整SOC，以保证蓄电池的饱和度；放电时可根据平均电压来调整SOC，以保证使用需求。因此，BMS不仅要检测整车的容量变化，更要对各个单体的性能变化进行监控，提高整组蓄电池的性能。广州新线蓄电池电力工程车BMS对单体电压、温度的监控精度提出了新要求，单体电压的监控误差为±10mV，温度采样精度提升至±0.2%。

3技术平推

从技术角度讲，广州新线蓄电池电力工程车是在现有工程车平台上的技术升级，与其他电力机车和地铁车辆的技术是相通的。根据广州地铁的特殊运用需求，进行了设计优化，同时又具有自身的特点。其多种供电模式的主电路集成技术融合了目前工程车平台已有的所有供电模式，并在多种供电模式之间实现无缝转接控制，对于其他的工程车具备一定的通用性和可借鉴性。其兼备的多种冗余模式（硬线控制冗余、辅助系统冗余、牵引控制模块冗余、记录存储单元冗余等）可在其他车型上进行平推设计。广州新线蓄电池电力工程车的成功运用经验，丰富了目前电力蓄电池双能源工程车技术体系。

4结束语

广州新线蓄电池电力工程车是我国适应范围广、速度最快的工程车。其独具的硬线紧急牵引系统、紧急辅助变流器控制系统、双DCU冗余控制系统、网络系统总线冗余等确保了工程车应用的安全性、可靠性。关键技术的升级丰富了轨道工程车技术平台，并为其他工程车的设计运用打下了良好的基础。

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作者:郭婉露 彭新平 刘世杰 付金 刘欢 单位:中车株洲电力机车有限公司