城轨车辆CAT蓄电池卡特电瓶激活电路设计及优化

摘要：城轨车辆为服务一二线城市轨道交通运营的主要交通工具，车辆相关设计及场景应用也需最大化适应相关城市运营方的需求。针对某城轨车辆项目在实际运用中蓄电池激活时发现的问题，通过从功能设计及电路原理方面深层次分析列车蓄电池激活电路，提出了更优的设计方案，为后续的车辆运营提供案例借鉴。

关键词：城轨车辆；蓄电池激活；欠压继电器

1概述

目前，国内外常见的轨道交通车辆均为电动列车，启动列车时必须首先通过蓄电池激活控制电路激活车辆自带蓄电池，激活后为车辆的各控制监控系统提供电源，然后才能通过接触网高压电来驱动运行。因此，城轨车辆蓄电池激活电路的可靠性与列车安全运行密切相关。[1]

某地铁车辆项目为120A型车，GOA2等级。车辆激活控制电路并非采用传统的环网供电电路结构，而是采用简洁贯通车辆两端的硬线激活回路，将蓄电池激活回路集成在蓄电池箱内部来实现车辆上电及断电逻辑。针对实际运用过程中列车蓄电池激活时出现的无法满足运营场景需求的问题，对蓄电池激活电路的的工作原理及控制逻辑进行深入分析，查找故障原因，并提出相应的优化设计方案，以保证车辆正常启动及运行。

2蓄电池激活电路原理说明

最初的列车激活电路设计如图1所示。操作列车激活旋钮来完成列车激活和断激活的操作。旋钮采用三位置自复位型式，默认自复位至中间“0”位，其余两个位置分别为“分”位和“合”位，当旋钮旋至“合”位后点位1、2闭合导通，松手后恢复断开状态。

列车激活过程：当蓄电池控制断路器（=32-F01）合上且蓄电池不欠压情况下，永久负载列车线得电，操作列车激活旋钮=32-S01（操作端）至“合”位置，其触点1，2闭合。欠压继电器=32-K13及延时继电器=32-K11线圈得电，其常开触点闭合，欠压继电器及延时继电器自保持得电；延时负载接触器=32-Q11与正常负载接触器=32-Q12线圈得电，其常开触点闭合。因此车辆负载均得电，整车110V供电激活。

列车断激活过程：当任一单元列车激活自复旋钮打到“分”位置时，其触点1，2闭合。=32-K12（断激活继电器）线圈得电，其常开触点闭合，继电器自保持得电；其常闭触点断开；延时继电器=32-K11与正常负载接触器=32-Q12失电，正常负载立即断电；延时继电器常开触点将延时断开（延时时间可根据需求进行设置，本项目设定为30s），延时负载接触器=32-Q12随之延时失电，其常开触点断开，延时负载断电。从而使列车激活回路失电，列车处于非激活状态。

如果蓄电池出现馈电现象，当列车激活时，蓄电池欠压继电器=32-K13检测到蓄电池电压低于设定值84V，则欠压继电器的常开触点将断开。延时继电器=32-K11与正常负载接触器=32-Q12失电，正常负载立即断电；延时继电器常开触点将延时断开，延时负载接触器=32-Q12随之延时失电，其常开触点断开，延时负载断电。从而使列车激活回路失电，对蓄电池进行保护。

图1 最初设计的电路

3蓄电池激活电路存在的问题及原因分析

2.1 故障现象

从上述原理分析可知，该蓄电池激活电路基本满足正常的列车上电与失电控制及蓄电池欠压保护的功能需求，但在车辆实际试验过程中，出现了以下故障现象：

（1）蓄电池未欠压但列车无法激活。车辆在完成蓄电池紧急负载试验后，车辆断激活后无法重新激活。通过查询蓄电池在线监测系统的数据，列车断激活时蓄电池电压为91V，蓄电池并未馈电。现场测量蓄电池电压为95.3V，蓄电池电压高于84V。按照车辆激活逻辑，蓄电池控制断路器（=32-F01）合上且蓄电池不欠压的情况下，车辆应能正常激活。

（2）蓄电池欠压但其中一组欠压继电器未动作。按照试验需求，需测试蓄电池激活保护功能，检查蓄电池欠压情况下欠压继电器动作正确性。但试验时发现TC1车蓄电池欠压继电器断电后，整车由TC2车蓄电池供电，负载增加电流上升，随后TC2车蓄电池电压下降至84V以下，但TC2车的欠压继电器不动作。通过万用表检测Tc2车欠压继电器两端电压发现电压值为87.7V，高于84V。

（3）车辆断激活后车辆重启延时上电，影响车辆的正常使用需求。为适应大客流，降低故障情形下车辆应急处置对城市交通线网影响，车辆需能立即重启。

2.2原因分析

（1）本项目采用的镍镉碱性蓄电池，每组蓄电池由80个蓄电池单体组成，蓄电池单体理论上的放电终止电压为1V。为了防止蓄电池过放电，将蓄电池组的保护电压设定为84V，恢复电压设定为96V。运用示波器对欠压继电器的设定值进行测试，发现欠压继电器的设定值符合设计要求。随后进一步分析欠压继电器的工作原理：欠压继电器的电磁线圈与检测电路并联，辅助触点接在控制电路中，电路正常工作时常开触点闭合。当线圈电压低于截止值Uoff后，触点断开，直到线圈两端电压再次达到导通值U

on后，触点吸合。[2]欠压继电器要实现检测功能，必须处于得电状态。而在列车断激活过程中，无论蓄电池是否欠压，由于欠压继电器失电断开，线圈电压为0，欠压继电器视为欠压。由于欠压继电器的恢复电压设定为96V，故蓄电池电压处在DC84V-DC96V区间时，车辆将无法再次激活。

（2）现有的电路设计中蓄电池欠压继电器电压采集存在设计缺陷。从图1可以看出，两组欠压继电器均由永久负载列车线供电（两组蓄电池并联供电），当单端蓄电池出现欠压断电时，断电端的蓄电池组将出现浮压进而将永久负载列车线电压抬升至84V以上，导致另一组蓄电池欠压继电器无法执行欠压动作。

（3）由于本项目列车断激活回路采用延时负载接触器=32-Q11的常开触点来控制断激活继电器的断开，导致车辆断激活后，断激活继电器延时失电，其常闭触点断开，导致车辆重启无法立即上电。需等待设定的延时时间之后，车辆才能再次激活上电。

4 蓄电池激活电路的优化方案

根据以上分析，对蓄电池激活电路进行了设计优化，优化后的电路如图2所示：

图2  优化设计后的电路

（1）将激活电路中的欠压继电器改由永久负载电源供电。单独设置欠压继电器（=32-K13）的自保持回路，由通过=32-K11继电器常开触点来自保持改为由欠压继电器自身常开触点来自保持得电，使欠压继电器接入永久负载回路，避免车辆断激活时导致欠压继电器断电而失去蓄电池电压检测功能。

（2）将欠压继电器由列车线供电更改至由本端蓄电池供电。欠压继电器供电更改至永久负载二极管=32-V12的前端，借助二极管的单向导电功能，限制了电流的反向传导，确保欠压继电器仅检测本车的蓄电池电压，优化了控制电路，完善了蓄电池欠压保护功能。

（3）将断激活继电器=32-K12自保持回路中延时负载接触器=32-Q11的常开触点改为正常负载接触器=32-Q12的常开触点，解决了列车断激活后车辆延时上电的情况。

上述优化方案应用于地铁车辆后，未再次发生上述故障现象，保证了列车的正常启动与运行。

5 结束语

本文针对某城轨车辆在试验中蓄电池激活出现的相关问题，通过对故障现象进行深入分析判断，发现了故障原因，并完善了蓄电池激活电路设计，提高了列车运行的安全可靠性及可用性，丰富了车辆激活的应用场景，也为其他城轨车辆蓄电池激活电路的设计与改进提供了一定的参考。