線蓄電池電力工程車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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(diǎn)，對(duì)電氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行分析說明，并探討了關(guān)鍵設(shè)計(jì)項(xiàng)點(diǎn)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(jì)
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(jī)車，被廣泛應(yīng)用于地鐵線路工程維護(hù)及地鐵車輛檢修，目前已成功運(yùn)用在新加坡、澳大利亞及國(guó)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(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jì)、核心控制冗余設(shè)計(jì)、硬線邏輯冗余控制設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，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(dòng)系統(tǒng)
不同于傳統(tǒng)地鐵車輛的主傳動(dòng)系統(tǒng)，廣州新線蓄電池電力工程車主傳動(dòng)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(jì)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)（第三軌和接觸網(wǎng)斷電），整車由DC800V牽引蓄電池供電。針對(duì)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(shí)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(diǎn)，實(shí)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(gè)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(rèn)信息分別通過MVB和硬線送給兩個(gè)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(gè)DCU隔離控制時(shí)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(cè)系統(tǒng)前端輸入電壓范圍后，閉合預(yù)充電接觸器，首先對(duì)直流電容進(jìn)行充電；當(dāng)電壓傳感器檢測(cè)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(dòng)，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(duì)交流電壓進(jìn)行隔離，并給出中性點(diǎn)，即向輔助負(fù)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(jìn)行了邏輯上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過單獨(dú)配置的可操作性較強(qiáng)的開關(guān)實(shí)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(jī)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(shí)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(jì)，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(jī)控制系統(tǒng)，主要完成對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)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(dòng)控制、運(yùn)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(jī)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(hào)采集及執(zhí)行模式，信號(hào)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(jī)接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊。子控制系統(tǒng)包括牽引傳動(dòng)控制單元、輔助變流器控制單元、制動(dòng)控制單元以及人機(jī)接口設(shè)備。
2主要技術(shù)特點(diǎn)
2.1多電源制式供電的主傳動(dòng)系統(tǒng)
廣州新線蓄電池電力工程車主傳動(dòng)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(jì)，在硬件上有效避免接觸網(wǎng)或者第三軌在供電時(shí)引起串電，提高機(jī)車系統(tǒng)使用安全；并通過硬件互鎖設(shè)計(jì)與軟件控制相結(jié)合的方式，有效防止多電源同時(shí)供電。當(dāng)然，多電源制式的供電方式，也對(duì)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(jì)
考慮制動(dòng)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(jī)應(yīng)急電源，僅用于給壓縮機(jī)供電，以保證制動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)源。由于僅用于給壓縮機(jī)供電，空壓機(jī)應(yīng)急電源在電網(wǎng)供電時(shí)會(huì)顯得比較浪費(fèi)，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(huì)受到影響，因此僅考慮DC800V供電模式下的方案.空壓機(jī)應(yīng)急電源在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，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(cè)功能；在檢測(cè)到輸出端有外部電壓時(shí)禁止提供輸出，而同時(shí)未檢測(cè)到DC110V啟動(dòng)信號(hào)，禁止輸出，以防止兩種不同相位及對(duì)地電壓的AC380V短路。在提供輸出過程中，應(yīng)能承受空壓機(jī)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(dòng)需求。
2.3控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)
蓄電池電力工程車在正常運(yùn)行時(shí)，一般采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)整車進(jìn)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(shí)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(jī)車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障且無法復(fù)位時(shí)，可將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)旁路，采用硬線控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的牽引、制動(dòng)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(hào)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(hào)（取自司控器）及其他相關(guān)信號(hào)（如供電模式選擇信號(hào)、主斷控制信號(hào)、受電弓受流器控制信號(hào)等）進(jìn)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(dòng)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(duì)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(duì)于蓄電池容量的監(jiān)控、低容量的報(bào)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(jī)性（工程車短時(shí)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(píng)估是蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行容量百分比（SOC）計(jì)算的重要評(píng)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(shí)積分兩種估算策略，通過高精度測(cè)量確保開路電壓和電流采樣的準(zhǔn)確度，同時(shí)系統(tǒng)通過高頻率的電流采集，并結(jié)合溫度對(duì)電池SOC的影響、電流大小對(duì)電池放電能力的影響等因素，確保車輛運(yùn)行過程中的SOC估算準(zhǔn)確度。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)系統(tǒng)通過開路電壓法對(duì)電池SOC進(jìn)行修正，使得電池組在整個(gè)使用周期內(nèi)SOC估算趨近于電池實(shí)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(duì)這幾個(gè)問題進(jìn)行深入分析，實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(cè)整車的容量變化，更要對(duì)各個(gè)單體的性能變化進(jìn)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(duì)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(tái)上的技術(shù)升級(jí)，與其他電力機(jī)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(yùn)用需求，進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)又具有自身的特點(diǎn)。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(tái)已有的所有供電模式，并在多種供電模式之間實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)接控制，對(duì)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(chǔ)單元冗余等）可在其他車型上進(jìn)行平推設(shè)計(jì)。廣州新線蓄電池電力工程車的成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，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(guó)適應(yīng)范圍廣、速度最快的工程車。其獨(dú)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(jí)豐富了軌道工程車技術(shù)平臺(tái)，并為其他工程車的設(shè)計(jì)運(yùn)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(jī)車有限公司
