線蓄電池電力工程車電氣系統(tǒng)設(shè)計
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摘要：介紹了廣州新線蓄電池電力工程車的主要技術(shù)特點，對電氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計難點進行分析說明，并探討了關(guān)鍵設(shè)計項點的平推及應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：蓄電池電力工程車；電氣系統(tǒng)；設(shè)計
0引言
現(xiàn)代軌道交通裝備越來越趨于向多種供電模式發(fā)展，雙能源的蓄電池電力工程車因其低污染性、零排放性及高可靠性，已基本取代內(nèi)燃機車，被廣泛應(yīng)用于地鐵線路工程維護及地鐵車輛檢修，目前已成功運用在新加坡、澳大利亞及國內(nèi)的香港、廣州等地區(qū)。廣州新線蓄電池電力工程車，是在消化吸收既有工程車設(shè)計平臺的基礎(chǔ)上進行技術(shù)創(chuàng)新的成果。該車型集成了雙DCU（牽引控制單元）設(shè)計、核心控制冗余設(shè)計、硬線邏輯冗余控制設(shè)計等特點，滿足廣州地區(qū)地鐵車輛的檢修及應(yīng)急牽引需要。
1電氣系統(tǒng)
1.1主傳動系統(tǒng)
不同于傳統(tǒng)地鐵車輛的主傳動系統(tǒng)，廣州新線蓄電池電力工程車主傳動系統(tǒng)集成了接觸網(wǎng)供電、第三◆研究開發(fā)◆Vol.41No.3May20th，2018軌供電、牽引蓄電池供電及其相應(yīng)的供電模式轉(zhuǎn)換控制電路等。因此，牽引蓄電池電壓的參數(shù)選擇，多種供電模式下牽引電路的集成設(shè)計及與其他部分電路的匹配方式等，成為廣州新線蓄電池電力工程車主傳動系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。廣州地鐵供電系統(tǒng)有第三軌DC1500V和接觸網(wǎng)DC1500V兩種供電方式，在網(wǎng)軌巡檢時（第三軌和接觸網(wǎng)斷電），整車由DC800V牽引蓄電池供電。針對上述三種供電方式，廣州新線蓄電池電力工程車采用集成控制電路，通過軟件控制接觸器實現(xiàn)三種供電模式的平滑切換；并在硬線電路中使用接觸器輔助觸點，實現(xiàn)供電模式控制的硬線互鎖，保證單一供電模式的有效性和可靠性。廣州新線蓄電池電力工程車的牽引變流器采用雙DCU控制，將兩個轉(zhuǎn)向架的牽引電器分開控制（架控）。在多種供電模式的控制電路中，為確保供電模式信息的傳輸有效性，供電模式確認信息分別通過MVB和硬線送給兩個DCU控制模塊。其主電路中高速斷路器的控制指令來自DCU，為保證單個DCU隔離控制時不影響高速斷路器閉合，在高速斷路器的控制回路中增加了單DCU隔離控制回路。
1.2輔助系統(tǒng)
輔助系統(tǒng)由輔助逆變器和輔助供電回路組成，為整車提供AC380V和AC220V輔助電源。輔助逆變模塊前端配置相應(yīng)的電壓（電流）傳感器，由電壓傳感器檢測系統(tǒng)前端輸入電壓范圍后，閉合預(yù)充電接觸器，首先對直流電容進行充電；當(dāng)電壓傳感器檢測到電容電壓與輸入電壓一致后，斷開預(yù)充電接觸器，閉合短接接觸器，向后續(xù)回路供電?？刂茊卧蜃兞髌髂K給出逆變脈沖，逆變環(huán)節(jié)變頻啟動，輸出SPWM波，并通過電感與電容組成的LC濾波器，把SPWM波轉(zhuǎn)換成正弦波。DY型連接變壓器對交流電壓進行隔離，并給出中性點，即向輔助負載提供三相四線AC380V，50Hz或AC220V的交流電源。輔助系統(tǒng)中集成的斬波充電系統(tǒng)，由充電模塊和斬波電抗器組成，結(jié)合整車控制系統(tǒng)進行了邏輯上的優(yōu)化設(shè)計，并通過單獨配置的可操作性較強的開關(guān)實現(xiàn)充電的自主控制。接觸網(wǎng)和第三軌充電，可通過主電路供電回路與充電機集成，庫內(nèi)電源提供與電網(wǎng)相同電壓，可以共用電網(wǎng)供電時的充電電路，再送到已有的充電電路；并通過斬波電抗器的濾波，提供充電電源。這樣緊湊型的設(shè)計，有利于控制整車重量及尺寸。
1.3控制系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致工程車控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此選用帶有網(wǎng)絡(luò)功能的微機控制系統(tǒng)，主要完成對主傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的主要設(shè)備的控制，設(shè)備監(jiān)控，以及整車故障信息的提示。工程車的牽引和制動控制、運行信息和主要設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、以及診斷系統(tǒng)采用分布式總線控制方式。微機控制系統(tǒng)采用中央控制單元集中控制，中央控制單元完成車輛控制、事件記錄以及網(wǎng)關(guān)功能；采用分布式的信號采集及執(zhí)行模式，信號輸入輸出由數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊完成。此外，中央控制單元通過MVB總線與子控制系統(tǒng)、人機接口設(shè)備實現(xiàn)通訊。子控制系統(tǒng)包括牽引傳動控制單元、輔助變流器控制單元、制動控制單元以及人機接口設(shè)備。
2主要技術(shù)特點
2.1多電源制式供電的主傳動系統(tǒng)
廣州新線蓄電池電力工程車主傳動系統(tǒng)集成了接觸網(wǎng)、第三軌和牽引蓄電池等三種供電方式。其供電主回路中加入二極管截流設(shè)計，在硬件上有效避免接觸網(wǎng)或者第三軌在供電時引起串電，提高機車系統(tǒng)使用安全；并通過硬件互鎖設(shè)計與軟件控制相結(jié)合的方式，有效防止多電源同時供電。當(dāng)然，多電源制式的供電方式，也對工程車牽引系統(tǒng)的電源適用范圍提出了更高的要求。
2.2輔助系統(tǒng)冗余設(shè)計
考慮制動系統(tǒng)風(fēng)源的持續(xù)性，廣州新線蓄電池電力工程車輔助系統(tǒng)中配置了空壓機應(yīng)急電源，僅用于給壓縮機供電，以保證制動系統(tǒng)的風(fēng)源。由于僅用于給壓縮機供電，空壓機應(yīng)急電源在電網(wǎng)供電時會顯得比較浪費，而且三種供電模式下輔助變流器的輸入電壓相差較大，控制起來復(fù)雜，輸出電壓的品質(zhì)也會受到影響，因此僅考慮DC800V供電模式下的方案.空壓機應(yīng)急電源在待機狀態(tài)時，其輸出與工程車的輔助變流器AC380V輸出之間應(yīng)有斷路器隔斷，并具備輸出端有電檢測功能；在檢測到輸出端有外部電壓時禁止提供輸出，而同時未檢測到DC110V啟動信號，禁止輸出，以防止兩種不同相位及對地電壓的AC380V短路。在提供輸出過程中，應(yīng)能承受空壓機供電中斷（即接觸器34-K01跳開）無故障，應(yīng)急電源3s內(nèi)將輸出電壓降低到100V/10Hz，且內(nèi)部接觸器保持吸合，以保證下一階段的立即變頻啟動需求。
2.3控制系統(tǒng)冗余設(shè)計
蓄電池電力工程車在正常運行時，一般采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對整車進行控制和監(jiān)控。為保證工程車檢修作業(yè)的可靠性和及時性，廣州新線蓄電池電力工程車配備了硬線緊急牽引控制系統(tǒng)，當(dāng)機車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障且無法復(fù)位時，可將整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)旁路，采用硬線控制，實現(xiàn)機車的牽引、制動控制。硬線控制系統(tǒng)采用PLC編程，純硬線邏輯控制，代替網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的核心控制部件VCM（車輛控制單元）。整車的控制系統(tǒng)信號繁多，控制較為復(fù)雜，硬線緊急牽引控制選取整車關(guān)鍵的牽引信號（取自司控器）及其他相關(guān)信號（如供電模式選擇信號、主斷控制信號、受電弓受流器控制信號等）進行控制.
2.4牽引蓄電池管理系統(tǒng)
目前工程車上使用的大部分動力蓄電池的容量均在300~400Ah左右，這滿足工程車牽引蓄電池模式下應(yīng)用的需求。廣州新線蓄電池電力工程車對于牽引蓄電池供電模式下的續(xù)航能力提出了更新的要求，440Ah的大容量蓄電池被第一次使用，因此對于蓄電池容量的監(jiān)控、低容量的報警、單體電壓、單體溫度等行車重要參數(shù)的監(jiān)控提出了新的要求。牽引蓄電池在工程車上的應(yīng)用不同于其他，其大電流放電的隨機性（工程車短時的爬坡及加速），整組單體蓄電池之間電荷能力的一致性以及其內(nèi)阻的評估是蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）進行容量百分比（SOC）計算的重要評估因素。廣州新線蓄電池電力工程車蓄電池的SOC估算，結(jié)合了開路電壓和安時積分兩種估算策略，通過高精度測量確保開路電壓和電流采樣的準確度，同時系統(tǒng)通過高頻率的電流采集，并結(jié)合溫度對電池SOC的影響、電流大小對電池放電能力的影響等因素，確保車輛運行過程中的SOC估算準確度。在適當(dāng)?shù)臅r機系統(tǒng)通過開路電壓法對電池SOC進行修正，使得電池組在整個使用周期內(nèi)SOC估算趨近于電池實際電量，提高了SOC估算精度。從應(yīng)用角度考慮，過溫、過充、過放、過流以及欠壓是影響蓄電池使用的關(guān)鍵問題。BMS必須對這幾個問題進行深入分析，實時跟蹤監(jiān)控。蓄電池的老化及均衡性直接影響SOC的估算精度，充電時可根據(jù)最低單體電壓來調(diào)整SOC，以保證蓄電池的飽和度；放電時可根據(jù)平均電壓來調(diào)整SOC，以保證使用需求。因此，BMS不僅要檢測整車的容量變化，更要對各個單體的性能變化進行監(jiān)控，提高整組蓄電池的性能。廣州新線蓄電池電力工程車BMS對單體電壓、溫度的監(jiān)控精度提出了新要求，單體電壓的監(jiān)控誤差為±10mV，溫度采樣精度提升至±0.2%。
3技術(shù)平推
從技術(shù)角度講，廣州新線蓄電池電力工程車是在現(xiàn)有工程車平臺上的技術(shù)升級，與其他電力機車和地鐵車輛的技術(shù)是相通的。根據(jù)廣州地鐵的特殊運用需求，進行了設(shè)計優(yōu)化，同時又具有自身的特點。其多種供電模式的主電路集成技術(shù)融合了目前工程車平臺已有的所有供電模式，并在多種供電模式之間實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)接控制，對于其他的工程車具備一定的通用性和可借鑒性。其兼?zhèn)涞亩喾N冗余模式（硬線控制冗余、輔助系統(tǒng)冗余、牽引控制模塊冗余、記錄存儲單元冗余等）可在其他車型上進行平推設(shè)計。廣州新線蓄電池電力工程車的成功運用經(jīng)驗，豐富了目前電力蓄電池雙能源工程車技術(shù)體系。
4結(jié)束語
廣州新線蓄電池電力工程車是我國適應(yīng)范圍廣、速度最快的工程車。其獨具的硬線緊急牽引系統(tǒng)、緊急輔助變流器控制系統(tǒng)、雙DCU冗余控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線冗余等確保了工程車應(yīng)用的安全性、可靠性。關(guān)鍵技術(shù)的升級豐富了軌道工程車技術(shù)平臺，并為其他工程車的設(shè)計運用打下了良好的基礎(chǔ)。
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作者:郭婉露 彭新平 劉世杰 付金 劉歡 單位:中車株洲電力機車有限公司
