赵 宇， 王 志， 陆 阳， 宋永丰

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081； 2 中国铁路总公司 机辆部， 北京 100844)

动车组在运行过程中，因供电接触网故障造成列车停电，动车组发生停电故障后，只能够原地等待救援，而动车组用于救援的热备车均存放在动车所，如果被救援动车组远离动车所，则需要等待较长时间才能得到救援。

目前动车组应急电源的功率及容量仅能提供紧急情况下短时通风和应急照明用电，容易因车厢内高温、缺氧等因素造成现场混乱，存在极大的安全隐患。

在城市轨道交通领域中，某些列车出现此类停电故障后，可以通过车载储能系统将列车应急自牵引至就近车站。文献[1]中以磷酸铁锂电池组作为应急牵引动力电池组，应急牵引工况时，通过闭合接触器将电池组接入牵引系统中间环节，直接为牵引逆变器供电。文献[2]设计了混合动力方案，通过DC 110 V蓄电池组与超级电容共同为应急牵引供电，应用超级电容减小起动阶段大电流对蓄电池的冲击。文献[3]和文献[4]将储能元件通过DC/DC变换器接入供电环节，实现应急牵引。尽管应急自牵引技术在城市轨道交通中取得了一定的发展，但在动车组应急自牵引技术方面的研究却几乎空白。动车组与城市轨道交通列车相比较，在列车供电制式、线路条件等很多方面存在较大差异，城市轨道交通方面的研究经验无法从根本解决动车组应急自牵引问题。

针对上述问题，首先分析了既有动车组应急供电中所存在的问题，随后提出了3种动车组应急自牵引技术方案，并对3种应急自牵引技术方案进行分析，最后对3种技术方案进行对比。

1 动车组应急供电中存在的问题

目前，动车组配置有DC 110 V蓄电池组，用于为动车组控制系统及其他直流负载进行供电。在动车组发生停电故障时实现应急通风及应急照明功能。在现有蓄电池容量的考核中，要求蓄电池至少能保证应急用电时间不小于2 h，其中应急电源应能在没有外接电源的情况下维持应急照明和广播系统运行不少于120 min，应急通风时间不少于90 min。图1所示为某型动车组型式试验中蓄电池试验放电数据，试验环境温度为20℃～25℃。根据试验原始记录及图片显示可以看出，11:15时应急通风起动工作，12:46时应急通风自动关闭，应急通风持续运行时间为91 min，13:15时放电试验结束，放电时间为2 h 3 min。然而，蓄电池随着使用时间会逐渐老化，电池容量会逐渐降低，当蓄电池容量衰退至额定容量的80%时，应急通风持续时间理论上只有约72 min。与此同时，在冬天以及我国东北等高寒地区，较低的环境温度会导致蓄电池的可用容量会出现不同程度的降低。目前我国大部分动车组的蓄电池应用铅酸电池，在低温条件下，可用容量急剧降低，不能满足应急供电需求。

2 动车组应急自牵引系统

动车组应急自牵引系统是动车组应急自牵引技术的重要环节，是在动车组既有牵引和辅助系统的基础上，增加以能量储存系统和功率转换系统组成的应急系统，见图2所示。为了满足牵引工况时的功率和续航要求，能量储存系统需要同时满足高能量特性及高功率特性。另外，由于动车组运营过程中，对于安全性有非常高的要求，故在选择储能元件时需要综合考虑储能元件充放电性能及安全性能等各方面因素。功率转换系统是实现应急自牵引系统中能量储存系统功率双向传递的基础，功率转换系统选择的合理性会直接影响到系统功能、效率等多方面因素。

图1 某型动车组蓄电池放电数据

图2 动车组应急自牵引系统组成

动车组应急自牵引系统存在以下优势[4-7]：

(1)当动车组高压供电系统发生故障，无法通过接触网进行牵引供电时，动车组可自行实施更加灵活的紧急救援措施；

(2)当接触网发生停电故障时，动车组能够在无电区段进行自救运行；

(3)应急工况时，可以根据需求启动空调，改善车内舒适度，减小乘客恐慌；

(4)再生制动工况下，应急自牵引系统可以对制动回馈能量进行吸收，对能量储存系统充电，减少对牵引供电网的谐波影响[7]。

3 动车组应急自牵引技术方案

以下方案以中国标准动车组为依据，牵引及辅助系统构成见图3所示，其中中间直流环节电压为3 600 V。储能元件选用钛酸锂离子电池。

图3 某型中国标准动车组牵引及辅助系统组成

3.1 方案1——新增DC/DC变换器方案

图4为方案1系统工作原理图，在既有动车组牵引系统和辅助系统的基础上，新增动力电池组与新增双向DC/DC功率变换器相连接，新增双向DC/DC功率变换器再通过接触器1接入既有牵引变流器中间直流环节，通过双向DC/DC 变换器对动力电池进行充/放电控制，实现能量的双向流动。

在正常牵引工况下，牵引变压器从接触网取电，通过次边绕组给牵引变流器供电，四象限整流器将变压器次边绕组交流电整流成中间直流环节电压。逆变器从中间直流环节取电后，逆变成三相交流电控制电机旋转；辅助变流器从中间直流环节取电后，逆变成三相交流电给辅助负载供电；接触器1处于闭合状态，双向DC/DC变换器从中间直流环节取电后，降压后给动力电池组充电，正常牵引工况时能量走向见图4中绿色箭头所示。根据动力电池组状态及控制需求，在正常牵引状态下可实现接触网与动力电池混合协同供电。当应急自牵引系统出现故障时，可通过断开接触器1实现隔离操作。

在应急自牵引工况下，需要在无外部高压状态下运行，动力电池组作为动力源，双向DC/DC变换器将钛酸锂离子电池升压至中间直流环节，牵引逆变器从中间直流环节取电后，逆变成三相交流电控制牵引电机旋转；辅助负载进入应急工作模式，维持特定负载正常工作(如控制系统、紧急通风、紧急照明等)，应急自牵引工况时能量走向见图4红色箭头所示。

3.2 方案2——双向充电机方案

图5为方案2系统工作原理图，以隔离型AC/DC双向充电机代替动车组原有单向充电机，并在保留既有DC 110 V 蓄电池基础上新增多台DC 110 V蓄电池，DC 110 V蓄电池通过双向充电机接入三相交流380 V母线。

在正常牵引工况下，双向充电机从辅助变流器取电后，将三相380 V交流电整流为110 V直流电为DC 110 V蓄电池组充电，正常牵引工况时能量走向见图5中绿色箭头所示。

图4 方案1系统工作原理

在应急自牵引工况下，以DC 110 V蓄电池组为动力源，通过双向充电机将110 V直流电 逆变为三相380 V交流电，为空调应急供电及应急辅助负载供电，同时通过辅助变流器将三相380 V交流电整流至牵引变流器中间直流环节，为牵引逆变器供电，应急自牵引工况时能量走向见图5中红色箭头所示。辅助变流器需要对相应软件进行升级，将辅助变流器由目前的单向 AC/DC变流器升级为双向 AC/DC变流器。

图5 方案2系统工作原理

3.3 方案3——优化充电机方案

图6为方案3系统工作原理图，新增加DC 750 V动力电池组通过接触器1接入牵引变流器的中间直流环节。对既有单向充电机进行优化，以IGBT代替既有充电机AC/DC环节中的二极管，将原有三相不控整流电路优化为三相全控整流电路，同时设计充电机的中间直流环节电压与动力电池组DC 750 V电压相匹配，并将动力电池组通过接触器2接入优化充电机的中间直流环节。充电机中间直流电压经过接触器3与DC/DC连接，经过降压后为DC 110 V蓄电池组充电。

在正常牵引工况下，断开接触器1，由受电弓从接触网取电为牵引和辅助系统提供能量。优化充电机从辅助变流器取电后，将三相380 V交流电整流至充电机中间直流电压，对DC 110 V控制蓄电池组状态与DC 750 V动力电池组状态进行判断后，选择闭合接触器2或接触器3为相应电池组充电，正常牵引工况时能量走向见图6中绿色箭头所示。

在应急自牵引工况时，以动力电池组作为动力源，闭合接触器1，通过牵引变流器中间直流环节为列车提供牵引力，闭合接触器2，优化充电机AC/DC部分从动力电池组取电，将750 V直流电逆变为三相380 V交流电为应急空调及其他应急辅助负载供电，DC 110 V控制电池组为直流负载供电，根据DC 110 V控制电池组荷电状态选择闭合或者断开接触器3。应急自牵引工况时能量走向见图6中红色箭头所示。

图6 方案3系统工作原理

4 动车组应急自牵引技术方案对比

对以上3种技术方案进行对比分析，结果见表1。从表1的对比分析中可以看出，3种方案各有优缺点，方案1在技术先进性及功能性方面具有一定优势，但其研发难度较大，研发周期较长；方案2在动车组设备改动方面较小，具有较高的辅助负载供电效率，从技术积累方面，双向充电机的研究同样起到了较大的推进作用，但牵引供电效率较低及供电线路损耗较大；方案3工程实现难度较低，可靠性较强，供电效率高，但功能的可拓展性较差。

综上所述，从目前工程实现的可行性和可靠性角度，方案3是更加合适的方案，从技术积累及提高科研能力的长远角度，方案1和方案2具有更高的匹配度。

表1 不同设计方案对比分析

5 结束语

针对动车组在运行过程中，因各种原因造成列车停电后的应急自牵引技术进行了研究。首先从实际试验数据及蓄电池特性角度，分析了既有动车组应急供电中存在着电池容量不足的问题，其次介绍了动车组应急自牵引系统的系统构成及其优势，最后对3种应急自牵引技术方案进行分析，通过对比3种技术方案得到从目前工程实现的可行性和可靠性角度，方案3是更加合适的方案，从技术积累及提高科研能力的长远角度，方案1和方案2具有更高的匹配度。