昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引方案研究

具有灵活高效的特点。本文根据4号线蓄电池牵引的需求并结合其车辆参数和线路特性，设计 了一种蓄电池牵引方案并进行了仿真分析。结合仿真结果对蓄电池实际容量进行计算和选型， 使容量满足于4号线车辆项目的使用需求。关键词：地铁；蓄电池牵引；蓄电池容量；牵引电压；应急供电中图分类号：U270.38T 文献标识码：BD01：10. 13711/j. cnki. cn32 - 1836/u. 2021.01.011o 前言目前，城市轨道交通车辆的行驶依赖于第三轨

约0.8 km,地下线约38.891 km。全线共设车站29

座，其中高架站3座、地下站26座。主变电所3座 （新建麻苴主变电所），在大漾田设车辆段，在白龙

（或接触网）供电，这样大大限制了断电情况下调车 潭和广卫设停车场，同时在广卫停车场（跑马山）设 大架修基地。的灵活性[，-2\\蓄电池牵引是在车辆外部无法正常 供电或通过第三轨断电区情况下利用车载蓄电池组

自行牵引的方案t3-6]o昆明地铁4号线（以下简称

11 车辆概述4号线车辆采用6编组B1型车（4动2拖），编 组形式为：-Tc*M*M-M*M*Tc-,其中：Tc为 带司机室的拖车，M为不带司机室的动车，-为半 自动车钩，*为半永久车钩）。车辆在正线运行时，采用接触轨下部供电方式；

“4号线”）车辆采用接触轨DC1 500 V供电，均衡修 库内不设接触轨，出入库时采用滑触线供电的方式

来牵引列车。这种供电方式存在检修人员工作量

大、效率低等问题，同时存在触电等安全隐患⑶。蓄电池牵引是昆明轨道交通中首次采用的牵引 方式，具有灵活高效的优点。该方式可以消除车辆

库内检修及调车时，采用滑触线供电或蓄电池牵弓I。 牵引系统采用VVVF逆变器控制的鼠笼式异步电动 机（190 kW）构成的车控式交流传动系统。车辆最

出入库时的安全隐患，解决检修人员操作复杂、效率 低等弊端。在正线运行时，车辆通过三轨无电区能 力增加，且可以实现正线救援，使车辆行驶至附近车

高运行速度为100 km/h（构造速度110 km/h）,与 牵引系统有关的技术参数如表1所示。表1 4号线车辆牵引系统主要技术参数加速度/(m-s-2)站疏散乘客，提高运营效率⑺。本文针对4号线车 辆蓄电池牵引的需求设计了一种蓄电池牵引方案，

减速度/(m-s-2)黏着系数并通过仿真分析验证了方案的合理性，最后根据仿 真结果对蓄电池容量作了计算和选型，使其满足于

0 ~40km/h 0 ~ 100km/h常用制动紧急制动牵引工况制动工况21.0

M0.6M1.0 >1.2M0.18M0.164号线的使用需求。12蓄电池牵引方案设计1蓄电池牵引方案分析12.1设计目标根据昆明市的地理条件，结合4号线工程的线

4号线自陈家营站起至终点昆明火车南站，全

长约43.391 km,其中高架线长度约3.7 km,地面线 收稿日期:2020 -03 -27作者简介：潘文凯（1992 -）,男，硕士研究生学历，助理工程师，从事 城轨车辆运营工作。路条件与车辆参数等确定蓄电池牵引的设计目标：

AW0载荷列车依靠自身蓄电池动力（无接触轨、车 间电源）在车辆基地库内移动1 000 m （坡度W

2%。）。蓄电池牵引时可以不考虑同时满足45 min

负载紧急供电要求。28潘丈凯昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引方案研究12.2方案设计（1） 主电路设计根据列车的高压电源电路图，在Ml车设有用

于蓄电池牵引的接触器箱，当列车在无DC1 500 V

高压输入的情况下，通过激活司机室的蓄电池牵引 功能按钮/开关，使牵引系统由车载蓄电池（DC110

V）供电并驱动列车行驶。列车用蓄电池牵引充分 考虑了蓄电池的寿命，进行45 min紧急负载供电和

使用蓄电池牵引后，蓄电池电量可以通过车载蓄电 池充电机恢复。（2） 特性设计应急牵引电压:DC88V ~ DC113 V；计算轮径

（新轮）:840 mm；齿轮传动比：6.3333；车辆自重：Tc 车为33 t,Ml/M2车为34.5 t；运行速度：0 ~ 4 km/

h;蓄电池配置：车辆设置两组蓄电池，每组蓄电池分 别为一辆动车供电；齿轮的传动效率（计算用值）：

0. 98；列车在新轮径、AW0载荷及蓄电池DC88 V ~

DC137 V条件下，列车最大起动轮缘牵引力：Fst =

50 kN；每根动轴的最大起动轮缘牵引力为6. 25 kN

（两节动车）；恒牵引力速度范围：0 ~ 1 km/h；恒功

率速度范围：1 - 4 km/h；牵引电机启动转矩约为

405 N-m0在网压为DC88 V ~ DC137 V时，牵引特性不

变；在网压小于DC88 V时，蓄电池牵引不可用，牵 引特性曲线如图1所示。列车速度/（km h-1）图1蓄电池牵引特性曲线（3）控制方案设计蓄电池牵引模式的转换需要由TCMS（列车控

制及监控系统）、DCU（牵引系统控制单元）和SIV

（静止逆变器装置）共同配合实现。TCMS主要负责 传递“蓄电池牵引-预备”信号、“蓄电池牵引”信号 及判断整车是否符合进入蓄电池牵引的条件。DCU

主要负责判断本节车牵引系统是否符合进入蓄电池

牵引的条件，并执行蓄电池牵引程序及相关保护动

作，故障判断。SIV负责执行TCMS发出的指令并 执行相应的保护程序。轨道交通装备与技术 第1期2021年1月蓄电池牵引控制方案的原理框图如图2所示,

下面对原理框图进行简单介绍。图2蓄电池牵引原理框图①司机室操作台上设置有“蓄电池牵引模式” 选择开关，司机在列车静止后，将选择开关打到闭合 位。②TCMS在收到“蓄电池牵引模式”高电平有

效信号后，首先判断以下车辆信号的状态：列车零速 信号有效、三位置隔离开关处于运行位、VVVF及

SIV通讯正常、蓄电池电压值大于88 V且小于137

V。当所有状态满足时.TCMS向所有DCU及SIV 发送“蓄电池牵引-预备”信号并保持，如有任意一 条不满足要求，则HMI显示“无法进入蓄电池牵引

模式”。③SIV接收到TCMS发送的“蓄电池牵引-

预备”信号后立即停机，待“蓄电池牵引-预备”信 号撤消并接收到“SIV启动”信号后才能重启启动。

④DCU接收到TCMS发送的“蓄电池牵引-预备”

信号后，分断所有高速断路器（同时屏蔽合高速断

路器命令）、接触器。高速断路器断开后开启斩波， 并判断逆变器状态正常后发送“蓄电池牵引- ok”

信号。⑤TCMS系统判断所有高速断路器断开，并 收到两M,车DCU发送的“蓄电池牵引-ok”信号

后，则在HMI提示司机“进入蓄电池牵引模式-请 确认”，待司机点击确认按钮后，给两节M,车DCU 发送“进入蓄电池牵引”信号，如有任意一条不满足 要求，则HMI显示“无法进入蓄电池牵引模式”。⑥29潘文凯昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引方案研究DCU在高速断路器断开状态，接收到TCMS发送的

“进入蓄电池牵引”信号后，闭合蓄电池接触器

KM, ‘KM?,并收到TCMS发送的方向和级位手柄操

作信号后执行牵引程序及相应的保护逻辑。⑦TC-

MS接收到“列车总牵引力大于10 kN”信号后，发出

“停放制动缓解”信号，列车停放制动缓解并开始运

行。⑧列车在制动工况下，只执行空气制动。列车 速度小于1 km/h时，TCMS发出“停放制动”信号，

制动系统开始施加停放制动。⑨车辆到达指定位置

后，在列车停车状态，司机操作“蓄电池牵引模式” 选择开关至分位。另外,TCMS在蓄电池模式开关断开后，才可以

识别其他运行模式，如洗车模式。DCU及SIV在 “蓄电池牵引-预备”及“蓄电池牵引信号”撤消后 才可以进入正常运行模式。DCU在“蓄电池牵引- 预备”及“蓄电池牵引信号”撤消后才可以再次闭合

高速断路器、紧急牵引模式。DCU在收到紧急牵引

模式时停机断开蓄电池接触器BLB1、BLB2。2仿真分析根据上述蓄电池牵引方案并结合4号线车辆参

数和实际线路情况，利用轨道交通牵引计算及仿真 平台进行仿真分析，其中仿真参数设置如下：车辆自重：Tc车33 t,M车34. 5 t；轮径：840

mm；齿轮传动比：6.333；车辆载荷:AW0；线路坡度：

2%。;行驶距离：1 000 m；蓄电池电压(恒定值)：90 V

(实际中大于90 V)。列车时间-速度曲线如图3所示。由图可知， 列车运行最大速度为4 km/h,从零加速到4 km/h

运行时间约为17.5 s,加速度约为0.07 m/s2,制动

时减速度约为0.5 m/s2,在2%。坡度的轨道上运行

1 000 m 需要 905.5 S。图3列车时间-速度曲线列车里程-电流曲线、时间-功率曲线如图4

所示，电流和功率分别主电路的输入电流和输入功 率。由图可知，列车在起动时输入电流有一个较大

30轨道交通装备与技术 第1期2021年1月的超调量，然后稳定在272 A左右，平均输入功率约46 kW。⑹列车时间.功率曲线图4列车电流与功率曲线3蓄电池容量选型根据前面的分析和仿真结果，应急牵引1 000 m 负载如表2所示。以下将分应急牵引1 000 m(同时 应急供电)和应急供电45 min两种情况对蓄电池容 量进行计算。表2 牵引1 000 m和应急供电负载情况工 况负载/kW应急牵引1 000 m前 17.5约 81.0后 888.0约 46.3牵引时应急供电905.5约 22.045 min2 700.0约 22.03.1牵引工况蓄电池容量计算根据表2的数据和蓄电池的特性计算蓄电池的 只数和容量。根据以往经验［8-'01,蓄电池的浮充电

电压按1.42 V/只计算，蓄电池的只数按84只计

算，则浮充电电压为H9.28 V。(1) 紧急牵引1 000 m前17.5 s由单组仿真数据计算需要净容量C1为工lit =

1.995 2 Ah；每套蓄电池最大牵引电流为474.97 A。(2) 紧急牵引1 000 m后888 s由单组仿真数据计算需要净容量C2为67. 133 5 Ah；每套蓄电池牵引电流为272.17 Ao(3) 牵引1 000 m同时应急供电905.5 s每套蓄电池组的平均应急放电电流和功率/蓄

电池组的平均放电电压相等，即：22 kW/(84 x 1.0

V)/2 = 131 Ao每组蓄电池供电905.5 s需要净容

量 C3 =33 Ah。蓄电池牵引前17.5 s放电最大电流为：606 A；

后888 s电流为403.2 Ao考虑放电倍率系数，列车

要求蓄电池提供的容量为C。= C./0. 85 + C2/0. 9 +

潘丈凯昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引方案研究轨道交通装备与技术 第1期2021年1月C3/O.9 = 113.7 Aho考虑浮充充电效率、低温下的 引方案进行了分析设计，并通过轨道交通牵引计算

放电效率及使用寿命12年老化系数等影响因素，并 及仿真平台进行了仿真，最后根据仿真结果计算出 考虑到蓄电池容量的额外裕度，蓄电池实际容量为：

蓄电池容量，最终选用容量为180 Ah的钻镰碱性蓄

C = C0/Kt/7)/a = 171.4 Ah o电池。经验证该方案完全满足4号线车辆蓄电池牵

其中：C。为不考虑任何影响系数下的蓄电池经 引1 000 m的需求，并对提高列车运营效率提供了 容量,113.7 Ah；K,为蓄电池在-10弋条件下放电

极大帮助。的容量修正系数，0. 85；”为蓄电池的充电效率， 参考文献：0.9；a为蓄电池老化修正系数,0.867。[1] 贺延芳，胡晓博.西安地铁2号线车辆受电弓供电方案的设计及

3.2 应急供电45 min容量计算改进[J].机车车辆工艺,2019(03) :54 -55.[2] 司尚卓.张泱泱.昆明地铁车辆应急供电电路设计及优化[J].

根据表2的数据，列车紧急供电时蓄电池需要 轨道交通装备与技术,2017(05):28 -30.提供的功率为22 kW。蓄电池组的平均放电电流约

[3] 陈萍，罗情平，韩凤喜，等.蓄电池牵引系统在青岛市轨道交通

为232.8 Ao蓄电池紧急供电45 min需要的净容量

11号线上的应用设计研究[J].铁道车辆,2018,56(09):18 - C° = 174.6Ah。考虑浮充充电效率、低温下的放电

20.[4] 邓文豪.北京地铁16号线蓄电池牵引方案分析[J].现代城市轨

效率及使用寿命老化系数等影响因素，蓄电池实际

道交通,2016(06) :20-23.容量为C = Co/K/r)/a =292.5 Aho每列车用两组 [5] 王成波.蓄电池紧急牵引用充电机控制系统研究[J].电气传

动,2017,47(10) ：39 -41.蓄电池，则每一组蓄电池容量为146.2 Ah。[6] 邓小东，陶波，杨帆.蓄电池牵引功能在成都地铁既有电客

根据计算结果，采用较大容量的计算结果并考

车上的应用研究[J].铁道机车车辆,2018,38(04) :114 -115.虑了一定的余量，本项目每套DCU0 V蓄电池组采 [7] 肖世雄.蓄电池紧急牵引技术在地铁列车上的应用[CJ//2010

城市轨道交通关键技术论坛论文集.北京：中国土木工程学会，

用额定容量为180 Ah的锯镰碱性蓄电池组，蓄电池

2010：493 -495.的型号为GMH180 - (2),每组84只，每列车2组并

[8] 杨丽，胡金鑫.车载蓄电池应急牵引改造方案[J].铁道机车

联使用，完全满足4号线蓄电池牵引的容量需求。与动车,2019(04) ：32 -34.[9] 邱新锋，张颖，刘大江.北京地铁16号线电气牵引系统控制及

4结论性能计算[J].黑龙江交通科技,2019,42(02) =167 -169.[10] 石彩霞，卢庆，赵正虎.城市轨道列车蓄电池选型分析[J].电

本文根据昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引的需

力机车与城轨车辆,2018,41(03) ：82 -85. □求,结合其车辆的技术特点和线路特性，对蓄电池牵(上接第27页)(2)随着车辆轴重的增加，车轮储能模量呈减 -60小趋势，损耗模量变化较平稳，对车轮阻尼性能综合 影响较小。我国幅员辽阔，车辆运行环境温度差异较大，由

弼40于弹性车轮橡胶件阻尼性能与其使用温度密切相 30 30------- 40--------- 50--------- 60-------- 70-------- 80--------- 90-关，今后将通过对不同环境温度下弹性车轮动态性

载荷/kN能测试，完善对车轮阻尼性能的分析，对全面系统研

图9损耗模量随轴重变化曲线图10损耗系数随轴重变化曲线究在实际运用工况过程中弹性车轮的减振降噪效果

2 结束语具有重要意义。参考文献：本文根据弹性车轮动态特性测试结果，对车轮

[1] 曾 恒.地铁车辆降噪方案设计[J].节能环保,2016(4):81 -

阻尼特性及其影响因素进行了分析，得到以下结论：83.(1)随着车辆运行速度的增加，车轮储能模量 [2] 王斌.刘德刚.新型地铁车辆降噪阻尼车轮应用方案的研究

变化较小，损耗模量呈先减小后增大的趋势，在6

[J].试验研究,2014.4(52):7 -11.[3] 刘玉霞，韩健，周信.弹性车轮减振降噪特性分析[J].铁道

Hz~8 Hz(车辆运行速度为48 ~64 km/h)范围内， 学报,2015(6) :48 -53.弹性车轮的储能模量和损耗系数均相对较高，在城 [4] 李 峰.具有低频衰减性能的粘弹阻尼材料[J].四川化工，

轨车辆的使用过程中对其主要运行速度区间具有良

1997(4) ：40 -41.[5] 刘涛，陈亚薇，刘东.填充橡胶的Payne效应[J].特种橡胶

好的减振降噪效果。制品,2015. 12(6) ：76-81.31