城轨地铁列车应急供电系统设计

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摘 要：文章记述了地铁车辆蓄电池供电系统的特点和问题，并围绕其特点和问题展开系统设备的选型和设计。文中结合对酸/碱性蓄电池的性能比较进行蓄电池的选型，结合蓄电池的维护保养需求，结合地铁列车的轻量化设计、可靠性设计，车下设备的防水，防尘等要求详细论述了蓄电池箱结构设计的诸多要求。

关键词：地铁；碱性蓄电池；蓄电池箱；轻量化；有限元分析

引言

现代轨道交通因其速度快，运量大，受天气影响小，高效，环境污染小等特点得到了飞速发展，蓄电池供电系统作为轨道交通车辆中不可或缺的重要设备，也根据不同需求有了多样化的发展。在城轨地铁车辆中，由于车辆运营特点的不同，作为列车应急电源的蓄电池供电系统，对轻量化，小型化，长寿命，低维护，充放电性能好等提出了更高要求。

1 主要问题

城轨地铁车辆与传统的机车、客车相比，存在如下特点和问题：

（1）全列蓄电池相对集中配置，应急电能配送不均衡。传统铁路列车应急电源大多各车独立，分散配置，地铁列车通常为固定编组，常采用两组蓄电池集中供电方式。（2）振动冲击较大。地铁运行站间距短，起动停止频繁，起动加速率、制动减速率较大，且轨道曲线半径小。（3）充放电电流变化大。三轨或接触网的直流供电，电压波动大，供电系统的充电电流冲击较大，通常有限流措施。（4）应急电源吸收稳压功能。地铁列车正常运行时，作为整流电路的滤波装置，吸收回路上的脉冲、波动，保证直流供电系统的平稳无间断供电。（5）应急电源负荷大，容量大。在外部供电异常中断或车辆辅助供电系统故障情况下供给列车应急照明、紧急通风、车载安全设备、广播、门控系统、通讯系统等紧急用电不低于45分钟。（6）地铁列车运用强度大，可靠性要求高，需要尽量缩短检修保养时间；（7）地铁列车节能要求轻量化。（8）地铁列车主要运行在地下，防火性能要求高。

2 解决方案

应急供电系统由蓄电池组、蓄电池箱、电气控制箱、连接电缆等组成，要使该系统更好的满足地铁列车的上述运行特点并解决存在的问题，须在各组件的设计、选型，以及安装接线等方面综合权衡。

2.1 蓄电池选型

现在工业常用大容量蓄电池主要有两种，一种是使用稀硫酸作电解液的铅酸蓄电池，另一种是使用碱性水溶液为电解液的碱性蓄电池，后者的主要代表是烧结式镍-镉蓄电池，主要有以下特点：（1）适于高放电率放电。铅酸蓄电池高倍率放电性能通常

2.2 蓄电池组布置

蓄电池布置要结合蓄电池箱体结构、方便检修维护等任务考虑，需要综合权衡如下要求：（1）各蓄电池单体均至少有一侧可观察液面；（2）一次安放/取出的单个或多个蓄电池总重不应超出25kg，保证单人可以完成；（3）电池小车之间的连线要防止小车归位后挤压或与其他部件磨损；（4）拉出电池小车的力不大于200N，保证单人可轻松拉出小车；（5）拉出小车后，保证所有蓄电池有足够的加液、清洁等维护检修空间。

2.3 蓄电池箱的设计

蓄电池箱主要由箱体、箱门、电池台车等组成，用于保护固定蓄电池。防护等级一般为IP54以上，同时能与箱体外部大气呼吸。

2.3.1 箱体的设计

将蓄电池箱与蓄电池电气控制箱设计为一个整体，具有结构紧凑，重量减轻，占空间小，与车体接口少，安装方便，布线简单等优点。同时，箱体与车辆的接口应结合车体的结构一体考虑，以进一步降低箱体自身与车辆局部的重量。

（1）首先，在方案设计阶段确定箱体合适的外形及安装结构。（2）综合不同全寿命周期和轻量化设计要求确定箱体材料。（3）可行性分析。采用有限元分析校核箱体的机械强度。（4）由于在过充电时，碱性蓄电池电解液中的水会被不断电解成H2和O2，因此必须在箱体顶部设置通风过滤装置，保障蓄电池工作时的通风，同时阻止灰尘进入箱体。

2.3.2 箱门的设计

采用下导轨形式的蓄电池箱体，其箱门在打开状态须承受蓄电池小车重量而不变形，在关闭状态须有可靠的锁紧装置，保证车辆运行振动和冲击下箱门不松动，脱开。台车导轨末端须设止挡，防止蓄电池台车滑出导轨，在箱门不够高（箱体的高度受车辆设备限界限制），导轨不够长时，可设计成折叠式导轨伸出箱门，以保证电池台车能充分拉出蓄电池箱，方便蓄电池的维护检修。箱门上应有密封胶条保障箱体的密封性能。采用侧面导轨时可以进一步降低箱体高度。

2.4 电池台车

电池台车由台车箱体、台车滑轮、台车拉手、止动挡块和电池盒组成，前后橡胶止动块分别顶住蓄电池箱门和箱体背板，使得电池台车在箱体内不出现窜动。台车滑轮应镶嵌轴承，以使拉动电池台车轻便灵活。台车箱体及电池盒内表面应喷涂耐酸碱电解液腐蚀的涂层，也可在台车内使用耐酸碱的玻璃钢盒进行防护，同时，在台车底部设计可方便拆卸的漏液收集盒。

2.5 蓄电池电气控制箱

蓄电池电气控制箱容纳相关的控制保护元器件，采用焊接或螺栓联接的方式与蓄电池箱做成一体，箱门应方便拆下，同时应有密封条。电气元件的布置要整齐、美观、便于观察、操作、接线及检修，同时应考虑电磁兼容性。另外，系统的电缆及所有非金属件都应有良好的防火性能，并应满足相关的国际防火标准。

2.6 可维修性分析

最好的设备是免维护，不需要日常保养维修。而对于车辆寿命周期内蓄电池供电系统的日常维修保养工作有：（1）蓄电池加液；（2）蓄电池电极清洁，防止接地；（3）蓄电池电气箱器件吹扫清洁；（4）蓄电池电气箱更换受损元器件；（5）更换蓄电池单体；（6）车辆长期停用时定期充电。对于如上维修保养工作，在设计阶段采取了前述各方面的应对措施。

2.7 应用情况与发展趋势

随着城轨地铁列车的快速发展，本文所述的设计及技术已在近年的一些地铁项目上得到了应用，如沈阳二号线地铁，天津3号线地铁，北京昌平线等。随着新材料技术的发展，蓄电池的一些新极板开始得到应用，蓄电池正在进一步小型化、轻量化，同时有更大容量，更高效，需更少的维护。而随着镍氢电池、锂离子电池等新型电池在工业中的应用，也许在不久的将来，城轨地铁车辆中也将出现这些新型电池，而铝合金等材料的应用也将使蓄电池箱的重量大大减轻。

3 结束语

开展本项工作之前，学习借鉴过部份国内外机车车辆产品。本文中的蓄电池箱体设计是利用三维设计工具进行的，具体设计流程本文未做叙述，可以参见相关三维模型设计文章。

参考文献

[1]杨浩.轨道车辆数字化样机建造初探[J].电力机车与城轨车辆，2008（1）.

[2]可靠性设计手册[M].北京：航空工业出版社，1999.

[3]关于铁路车辆用蓄电池和其新发展[Z].古河电池株式会社，2008.