北京地铁16号线蓄电池牵引方案分析

邓文豪

（铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京100081）

北京地铁16号线蓄电池牵引方案分析

邓文豪

（铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京100081）

根据北京地铁16号线蓄电池牵引特点，对蓄电池牵引方案进行了分析，包括蓄电池类型、蓄电池能力要求、蓄电池牵引投入条件判定等。根据具体需求分析仿真典型工况的蓄电池能力输出，并根据仿真结果选择合适的蓄电池容量。

地铁；蓄电池牵引；蓄电池能力；蓄电池选型

1 蓄电池牵引功能提出

北京地铁16号线全长49.85 km，全部为地下线路，共设地下车站29座，在线路的南北端分别设置停车场和车辆段。列车采用6动2拖8辆编组 A 型车，全线接触网受电。一般情况下，弓网受电作为北京地铁16号线的正常牵引模式，一旦弓网受电出现故障，蓄电池牵引可以作为紧急牵引使用。北京地铁16号线根据4号线已有的蓄电池牵引的经验，对列车蓄电池牵引能力提出了更高的要求，主要考虑蓄电池牵引工况下的牵引持续时间和牵引速度等。北京地铁16号线增加蓄电池牵引的主要作用为：①外部电源、接触网等供电故障时，利用列车自带的蓄电池作为动力牵引，列车以一定的速度行驶至最近的车站，进而疏散乘客，减少对乘客出行的影响和列车被救援的概率，因为列车救援会对正常运营造成极大的影响；②可以在车辆段内方便地进行调车、洗车作业，这可作为车辆段内移车的主要方式，而接触网受流方式作为段内作业辅助手段；③可以取消牵引系统的车间电源功能，节省部分投资。

2 蓄电池牵引功能需求分析

由于对16号线列车蓄电池牵引的预期功能要求较高，要求蓄电池牵引能力满足列车具备通过蓄电池牵引运行至下一站或退回至上一站的能力。鉴于蓄电池的体积和车下的布置空间，为整列列车紧急负载提供45 min 供电需求的 DC110V 蓄电池和列车牵引用的蓄电池分开设置，同时考虑提高列车牵引用蓄电池的利用率，将以前需要 DC110V 供电的紧急通风功能转为由牵引用的蓄电池供电实现。为了减少蓄电池牵引时的输出电流，需要提高蓄电池牵引的输出电压，同时考虑蓄电池的体积和车下布置，不使用升压电路使蓄电池输出电压升高，而是提高蓄电池组的直接输出电压。

2.1 蓄电池选型

目前城轨列车采用的蓄电池产品主要有2种：胶体铅酸蓄电池和纤维结构电极式镍铬蓄电池。如果按电解液划分，前者属于酸性蓄电池，后者属于碱性蓄电池。

在对蓄电池选型时，主要考虑以下因素。

（1）性能好。所选的电池必须满足可靠性要求，特别是用于紧急情况下的负载供电和牵引。由于碱性蓄电池若在没有完全放完电就充电，在下次放电时，就不能放出全部电量。从蓄电池使用性能和充放电的方便性来说，酸性蓄电池较碱性蓄电池占优。

（2）运营维护少。蓄电池的维护工作要安全，维护周期长。由于胶体铅酸蓄电池把电解液由液体转为胶体后减少了后期加液的维护，而且减少了后期加液维护的安全风险，而碱性蓄电池需要周期性地加液维护。

（3）蓄电池要安全环保同时兼顾性价比。胶体电解液在充放电时没有气雾的排出，而碱性的液体电解液存在溢出及充放电时气雾排出。相同能量的蓄电池比较，铅酸蓄电池的质量和体积较碱性电池大，且酸性蓄电池的低温特性较碱性蓄电池差，特别是10 ℃以下的低温特性。根据运营单位的需求和运营单位以前的使用维护经验，碱性蓄电池的维护存在风险，经分析评估后，16号线用于牵引的蓄电池组采用铅酸蓄电池组。

2.2 蓄电池能力分析

蓄电池能力的配置主要根据对蓄电池应用的工况分析确定，16号线增加的牵引蓄电池主要考虑了以下2个方面。

（1）在供电故障情况下，蓄电池牵引发挥疏散乘客的作用。由于车下空间布置和蓄电池输出能力的限制，仅限于考虑满足1次故障的蓄电池牵引需求。北京地铁列车载客量在高峰期达到最大载荷，在确定蓄电池牵引能力时需考虑 AW3载荷工况。供电故障可能出现在运营区间任一位置，需要考虑蓄电池牵引运行至最近车站的能力，牵引方向可以是前进或后退。此外，还需考虑线路的坡度，来配置蓄电池的能力。

（2）提高蓄电池的利用率。由于16号线对蓄电池牵引能力要求较高，若紧急牵引用蓄电池组和以前紧急工况下的 DC110V 蓄电池组合并成1组，车下空间不能满足蓄电池组安装要求，为此，用于紧急工况下供电的DC110V 蓄电池组和用于紧急牵引用的蓄电池组分开设置，为了减少 DC110V 蓄电池组的容量和提高紧急牵引用蓄电池组利用率，将以前设计的 DC110V 蓄电池供电的紧急通风功能转由紧急牵引蓄电池组供电，同时用于紧急牵引的蓄电池组可用于车辆段内的调车及洗车作业。

2.3 蓄电池牵引投入条件分析

蓄电池牵引在外部电源、接触网供电故障时启动，其使用条件可分为正常的蓄电池牵引模式和备用蓄电池牵引模式（列车网络故障模式）。基本控制思路为设置蓄电池牵引开关，当蓄电池牵引开关激活后，判断蓄电池牵引的使能条件是否满足，当条件满足后，列车转入蓄电池牵引状态。还需设置蓄电池牵引复位条件，当蓄电池牵引复位条件满足时，停止蓄电池牵引。

2.3.1 正常蓄电池牵引模式

向牵引系统发送蓄电池牵引使能信号，在满足以下条件时使能信号有效：

（1）非 ATO 模式；

（2）司机控制器主控手柄位于非牵引位；

（3）列车静止；

（4）蓄电池电压高于某一限值（满足蓄电池牵引）；

（5）蓄电池输出母线接地检测正常。

以上蓄电池牵引使能条件满足后，牵引系统内部的控制系统判断以下条件均满足时，输出蓄电池牵引接触器闭合指令：

（1）司机控制器主控手柄位于非牵引位置；

（2）司机控制器方向手柄不处于零位；

（3）高速断路器位于断开状态；

（4）隔离接地开关位于正常运行位；

（5）三相中压母线激活。

蓄电池牵引接触器闭合完成后，牵引变流模块将自动完成中间回路充电，等待司机发出蓄电池牵引力参考命令。

蓄电池牵引使能信号的复位条件满足以下任一个即复位：

（1）ATO 模式；

（2）蓄电池电压低于某一限值；

（3）蓄电池牵引母线接地检测到短路；

（4）网络判断有牵引指令几秒后，保持制动仍未缓解。

2.3.2 备用模式

同时满足以下条件时，蓄电池牵引使能有效：

（1）蓄电池牵引开关激活；

（2）方向手柄置于非零位；

（3）列车静止；

（4）紧急逆变器工作正常且紧急通风切换正常。

以上蓄电池牵引使能条件满足后，牵引系统自动完成中间回路充电，等待司机发出牵引力参考命令后，进入蓄电池牵引。

蓄电池牵引使能信号的复位条件满足以下任一个即复位：

（1）蓄电池牵引开关激活丢失；

（2）方向手柄位于零位；

（3）紧急逆变器停止工作；

（4）输出电压低于设置值；

（5）牵引系统判断其他需要复位保护的条件。

3 蓄电池能力仿真

为了达到蓄电池紧急牵引时牵引输出力的可控性，蓄电池紧急牵引设置的输出牵引力为1档设置。结合上述对蓄电池能力的分析，并考虑北京地铁16号线实际线路情况，即荷载、坡道、运行速度等条件，选择了最具代表性的区段线路：达官营站至红莲南里站之间一段9.85‰ 坡道起点至红莲南里站为车辆蓄电池牵引运营工况的仿真线路。

仿真输入：车重564.7 t（AW3载荷，8辆编组 A 型车），坡度10‰，坡道上最大运行速度5 km/h。

蓄电池紧急牵引工况：AW3载荷位于10‰ 坡道底端，启动列车爬900 m 长的10‰ 坡道，继续行驶走2‰ 坡道到站。

车辆的速度-时间曲线见图1。

图1 车辆速度-时间曲线

仿真采样周期为0.1 s，车辆总共运行时间779 s，其中运行至900 m 坡道顶端时间为674 s。车辆在10‰ 坡道上最大运行速度约5 km/h。

整车牵引变流器输入功率曲线见图2。

图2 整车蓄电池牵引变流器输入功率

整车牵引变流器输入能耗曲线见图3。

图3 整车蓄电池牵引变流器能耗曲线

整个运行过程中，整车牵引变流器耗能为27.61 kW·h，车辆从10‰ 坡道爬到顶端耗能24.39 kW·h。上述所有相关电流、功率、能耗等参数为蓄电池牵引输入参数，并非蓄电池的输出参数。

通过对北京地铁16号线其他车站的整车牵引功率的分析，本仿真线路的蓄电池容量校核的蓄电池功率曲线可覆盖住这些区间蓄电池牵引的功率消耗。

4 蓄电池容量选型

用于16号线的蓄电池容量选择取决于蓄电池牵引的耗能和蓄电池牵引时紧急通风的耗能。紧急通风的耗能分为3个阶段：第1阶段为蓄电池牵引前准备阶段的紧急通风，第2阶段为蓄电池牵引阶段的紧急通风，第3阶段为蓄电池牵引后疏散阶段的紧急通风。本文不详细讨论紧急通风的工作模式，综合考虑紧急通风的用电和牵引用电以及酸性蓄电池的参数，选择6组输出120 V、180 Ah 的蓄电池组作为蓄电池牵引用电池组。

蓄电池厂家在轨道交通成熟的应用业绩为12 V、175 Ah 的蓄电池，但也提供6 V、180 Ah 的蓄电池，其尺寸比较见图4。

以上方案包含蓄电池箱体及控制箱外形尺寸，12 V、175 Ah 方案为2276×1352×600（mm），6 V、180 Ah 方案为2096×1076×600（mm），考虑到车下的布置尺寸及以后检修的需求，12 V、175 Ah 的方案体积大，无安装空间，鉴于厂家无6 V、180 Ah 的成熟业绩，各种不同温度下的放电特性曲线（2倍率）对比见图5。

图4 蓄电池箱体方案对比图（单位：mm）

图5 2倍率放电特性曲线对比

从2个方案放电能力曲线对比中可知，12 V、175 Ah 和6 V、180 Ah 两者性能相差不大。综合考虑安装空间及技术要求等，蓄电池组选择了6 V、180 Ah 的方案。

5 总结及建议

本文介绍的蓄电池牵引方案以满足运营的需求展开分析，在明确需求后对典型工况进行了蓄电池能力的仿真分析，并对蓄电池的选型进行了说明。对城轨车辆蓄电池牵引的设计具有一定的参考价值和借鉴意义。

城市轨道交通车辆是否要配备高性能的牵引蓄电池，需要各城市轨道交通建设单位综合考虑其可靠性和经济性。

[1] 唐志侬. 地铁列车常用蓄电池选型技术经济性分析及选型建议[J]. 现代城市轨道交通，2014（1）：56-62.

[2] 北京地铁16号线电动客车采购合同文件[G].2015.

[3] 北京地铁16号线电气牵引系统采购合同文件[G]. 2015.

责任编辑 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

邓文豪（1984—），男，工程师