摘要：為解決當動車組在運行過程中，由于弓網故障或高壓設備故障導致無法從接觸網取電運行時，提出了一種高速動車組蓄電池供電的應急牽引技術方案，介紹了動車組車輛參數及性能要求，闡述了牽引系統組成、牽引制動特性、運行控制方案等。通過開展整車蓄電池應急牽引試驗，驗證了方案的可行性及性能

　　關鍵詞：高速動車組;蓄電池;牽引變流器;雙向充電機;應急牽引

　　1 引言

　　目前國內所有高速動車組的牽引傳動完全依賴于接觸網供電，在運行過程中，當弓網故障或高壓設備故障時，動車組只能等待機車救援至最近的車站清客，一旦發生此類事故，不僅會造成同一線路的動車組運行大范圍延誤，而且在這段時間內，乘客的安全是無法保障的，極有可能引起不必要的恐慌[1]。如果此時能夠利用動車組車載蓄電池實現動車組應急牽引，當發生高壓中斷情況時，就能保證列車能夠平穩運行至下一個供電區間，讓列車具備不間斷供電能力，將很大程度上提高高速動車組的運用靈活性和可靠性，目前，蓄電池供電的應急牽引技術項目的應用環境多數為地鐵車輛出庫時或簡單調車時，且運行速度通常低于5km/h[2]，動車組蓄電池供電應急牽引較高速運行(大于30km/h)功能在軌道交通行業是個新課題[3]。因此，研究蓄電池緊急牽引功能在動車組上的應用具有很強的實用性以及重要的現實意義。

　　本文針對高速動車組在接觸網無電或高壓系統故障的緊急工況，提出了基于車載蓄電池的高速列車應急牽引系統方案，對牽引系統拓撲結構、系統設計方案進行分析，同時綜合考慮了列車的牽引/制動特性、運行速度/時間要求以及蓄電池能力等限制，提出高速列車自走行方案。

　　2系統概述

　　以國內某型高速動車組為原型進行設計，該型動車組為動力分散式電動車組，牽引系統主要由牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機等組成，車輛主要技術參數如下：

　　動車組正常情況下由接觸網供電，動車組受電弓從AC25kV接觸網獲取電能，通過牽引變壓器降壓輸出單相交流電供給整流器，整流器將單相交流變換成直流電經中間直流電路輸出給逆變器，逆變器輸出三相VVVF交流電供給異步牽引電動機。同時變流器內部集成輔助變流器的功能，從牽引輔助變流器中間直流回路取電，將直流電壓變換為3相AC 380V/50Hz電壓，為動車組輔助負載、雙向充電機提供電源，并由雙向充電機向蓄電池充電。

　　在動車組高壓供電異常時，司機操作發出蓄電池應急牽引信號至牽引變流器、雙向充電機、蓄電池，雙向充電機從DC110V蓄電池取電，開始向輔助母線提供3相380V電源，通過輔助變壓器升壓，經輔助逆變器整流后形成中間電壓，后經逆變器輸出驅動牽引電機工作。

　　2.1 蓄電池方案

　　蓄電池采用了成熟度高、安全性較高、循環壽命長的鈦酸鋰電池。電池系統由鈦酸鋰電池模組、電池管理系統(BMS)、充放電回路、牽引回路等組件構成。BMS具備單體電池電壓和溫度等信號檢測、與充電機RS485通訊以及輸出接觸器控制功能，保證電池不出現過充電和過放電。

　　2.2雙向充電機方案

　　雙向充電機由3AC/DC+DC/DC、輸入LC低通濾波、輸出濾波等環節構成，實現能量的雙向流動。正向輸出DC110V時：將輔助變流器輸出的3AC380V交流電作為雙向充電機的輸入，經過PWM整流、直流濾波得到直流電，再經過雙向全橋DC/DC變換輸出可控的DC110V直流電。反向逆變輸出3AC380V時：電池輸出的DC110V直流電作為充電機的輸入，在每個功率模塊內部經過雙向全橋DC/DC變換輸出可控的高壓直流電，再經過逆變橋、LC低通濾波輸出可控的3AV380V交流電。如圖2-3所示。

　　3 動車組蓄電池牽引控制策略

　　受限于蓄電池應急牽引方案，雙向充電機供電電壓及能力，需要對蓄電池應急牽引運行模式進行特殊控制。

　　3.1 動車組蓄電池牽引運行最大速度控制

　　當輔助變流器輸入電壓為三相AC380V時，經過輔助變壓器升壓、輔變模塊不控整流后，牽引變流器空載運行時牽引變流器中間直流電壓理論值計算為：

　　考慮到牽引系統以最大功率輸出時的壓降、輸入三相電壓波動等因素，中間直流電壓值按1500V考慮。

　　根據三相橋式逆變電路基波電壓計算公式，1500V中間直流電壓能夠輸出的最大基波有效值為：

　　在不改變電機特性的情況下，為保證動車組正常高壓供電時電機特性不受影響。根據動車組電機的VF特性曲線對牽引變流器最大輸出電壓進行校核，動車組最高運行速度為86km/h。

　　在蓄電池應急牽引時，當動車組運行速度超過80km/h，牽引變流器停止工作，車輛轉為惰行運行。

　　3.2 動車組運行模式控制

　　動車組運行過程可由牽引、恒速、惰行及制動組成，根據列車優化操縱的理論分析，綜合考慮線路約束條件，尋找最優惰行點或制動點，最優操縱序列可由以上4種工況組合而成，全力牽引與全力制動工況可減少列車能耗并保證行車效率[7]。

　　動車組蓄電池應急牽引過程中，能量主要消耗在牽引供電、交流輔助負載和直流負載，理論上動車組最低速度運行時可減小牽引能耗，但由于運行時間變長，會導致交流輔助和直流負載的能耗增大，需要選取一個合適的運行方式，使得動車組運行全程能耗最小。能耗計算的主要方法是首先建立以動力學方程為基礎的列車運行模型，再利用積分求得運行全程的蓄電池能耗，然后通過數值方法對模型進行結算，最終獲得最小能耗速度曲線。

　　動車組運行過程的運動學關系可以描述為：

　　式中的狀態變量分別代表動車組行駛時的距離、速度和加速度。

　　建立動車組蓄電池牽引下，最小能耗模型：

　　為了確定最優運行方式，對積分形式的狀態方程進行離散化處理，使用梯形求積公式進行求解。

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