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2022年8月RAILWAYLOCOMOTIVE&
文章编号:1008-7842(2022)04-0113-06
高速动车组应急牵引电量需求研究*
宋永丰1,3,单巍2,赵宇1,3,刘洋1,3,贾冰1,3
(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中国国家铁路集团有限公司,北京100844;
3动车组和机车牵引与控制国家重点实验室,北京100081)
摘要动车组应急牵引用动力电池电量选取直接影响动车组设备舱设备布置、成本预算。文中基于高
速动车组应急牵引的原理,提出了区间接触网失电时应急牵引电池电量需求的计算方法,可根据线路坡
道起伏、分相、车站等条件实时计算出不同位置驶出困难区间的最优路径及能量消耗。以9条主要客运
专线进行仿真计算,计算结果表明,当动力电池输出电量为100kW⋅%的计算区间,当
输出电量为120kW⋅%的计算区间。动车组设备舱空间满足安装时,建议配置120kW⋅h
动力电池。
关键词应急牵引;动力电池;电量;动车组;仿真计算
中图分类号::Adoi:.1008-
铁路区间接触网故障,导致动车组停于区间适用于区间失电时应急牵引电池容量计算方法,
后,需要原地等待救援或者接触网恢复供电,无论并对京沪、京广、京哈(承德—哈尔滨)、沪昆、兰
是等待救援列车还是维修恢复供电都需要较长时新、西成、合福、沪蓉、徐兰线9条主要客专进行了
间。基于目前动车组设计,动车组在正线等待期计算,根据计算结果,给出了建议配置的电池
间由DC110V电池提供电源,仅开启紧急通风和容量。
必要的照明、通讯、控制设备,导致旅客体验感较
1应急牵引原理
差,特别在天气炎热条件下,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。某典型高速动车组的应急牵引电气原理如图
为有效地解决上述问题,国内多家科研单位展开1所示。
了应急牵引技术研究,电池容量的选择影响动车正常工况下,3AC380V通过双向AC/DC为
组设备舱空间布置及成本预算,为应急牵引系统动力蓄电池组充电,再经隔离型DC/DC为整列
设计的关键因素。文献[1]对动车组应急牵引的DC110V母线供电。
方案进行了对比分析,但并未对动力电池的容量应急工况下,动力蓄电池通过双向充电机向
选取进行分析。文献[2]提出了动力电池容量能3AC380V交流母线提供电源,为应急牵引相关
在平直道运行20km的需求,但这仅仅是对分相区冷却通风负载、空压机等交流负载应急供电,同时
间长度的预估,不够严谨。文献[3-5]介绍了城市通过动力电缆并联接入牵引变流器中间直流环
轨道车辆电池应急牵引功能的实现,但由于城市节,为牵引逆变器供电。
轨道线运行固定单一,提取最困难运行区段即可在使用低压DC110V电源时,动力蓄电池通
计算电池容量需求,对动车组电池容量选择参考过隔离型DC/DC并入DC110V母线,为低压负载
意义不大。文中根据中国高速铁路特点,在对线供电。
路坡道起伏、分相、车站分析的基础上,提出一种应急牵引传动回路借用动车组原有逆变器及
*国家创新平台开放基金项目(2017YJ175);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(P2018G047)
第一作者:宋永丰(1988-)男,副研究员(修回日期:2020-07-10)
通信作者:刘洋(1990-)男,助理研究员
114铁道机车车辆第42卷
图1应急牵引工作原理
牵引电机,牵引电机的物理特性没有发生改变,仅图4所示。
对其控制方式进行了调整,
发挥应不大于电机正常牵引工况下的牵引力,在
(1)2个分相之间无车站:假设列车停车于分
恒功率区牵引力发挥受限于蓄电池放电功率。某
相1与分相2之间,从分相1“断”标到分相2“合”
型既有动车组在1、8车设置充电机及蓄电池,为充
标进行搜索,坡度变化处为变坡点,认为列车停于
分利用既有充电机及DC110V蓄电池,通过改造,
变坡点处。变坡点从①开始排序。图3中有①~⑥
在1、8车设置双向充电机及动力电池,应急牵引工
共6个变坡点。
况下,起动2、7车牵引逆变器控制电机工作,4、5
(2)2个分相之间有车站:假设列车停车于分
车牵引系统处于停止工作状态,应急牵引特性如
相1与车站之间,从分相1“断”标到车站标进行搜
图2所示。
索,坡度变化处为变坡点,认为列车停于变坡点
处。变坡点从①开始排序。图3中有①~③共3个
变坡点。

(1)2个分相之间无车站时,假设列车停车于
分相1与分相2之间,以变坡点①举例,从分相1向
分相2运行为正向,分别向正向和反向运行。
列车在变坡点①从静止正向运行,运行至整
2
图2应急牵引特性列列车通过分相“合”标,所消耗能量为Q1-1,其
1①1
中Q1-1第一个“”表示变坡点,第二个“”表示
2能耗计算原理正向运行。
列车在变坡点①从静止反向运行,运行至整

列列车通过分相“断”标,所消耗能量为Q1-2,其
31①2
区间困难点查找策略如图所示,策略流程如中Q1-“2”表示变坡点,“”表示反向运行。
第4期高速动车组应急牵引电量需求研究115
图3区间困难点查找策略示意图
图4区间困难点查找策略流程图
22=min
()个分相之间有车站时,假设列车停车于Q1-min(Q1-1,Q1-2)(1)
分相1与车站之间,以变坡点②举例,从分相1向

车站运行为正向,分别向正向和反向运行。
依次对所有变坡点执行步骤(2)~步骤(3),
列车在变坡点②从静止正向运行,运行至整
得到每一个变坡点的最小能耗。
2
列列车进入车站,所消耗能量为Q2-1,其中Q2-“1”
表示变坡点②,“1”表示正向运行。
列车在变坡点②从静止反向运行,运行至整对比每一个变坡点的最小能耗,选择最大值
12
列列车通过分相“断”标,所消耗能量为Q2-2,其Qmax为式()。最大值对应的变坡点即为整个区间
2②2
中Q2-2第一个“”表示变坡点,第二个“”表示的最困难点。
反向运行。Q=max(Q,Q,…,Q)
max1-min2-mini-min
(i=1,2,3,…,n)(2)

以变坡点①为例,对比变坡点①
反向运行能耗,选择变坡点①的最小能耗应急牵引时为节约用电,只启动列车控制系
为式(1):统、牵引系统、制动系统及旅客用电所必须的设
116铁道机车车辆第42卷
备。能耗概括起来主要分3个部分。根据上述3部分能耗,计算应急牵引过程中动
3
。计算过程为式()
~式(6)。
牵引能耗主要包括列车运行过程中所需要的
Q=Q+Q+Q(3)
动能及能量传递过程中在部件中损失的能量。根总牵引辅助直流负载
其中:
据能量传递过程如图5所示,动力电池能量需要依
tP
Q=∫轮周功率dt(4)
次通过牵引逆变器、牵引电机及齿轮箱后传递给牵引
03600×φ×φ×φ
齿轮箱电机逆变器
车轮。
tP
Q=∫辅助dt(5)
辅助
03600×φ
双向充电机
tP
Q=∫直流负载dt(6)
直流负载3600×
0φDC/DC
式中:Q为动力电池输出能耗,kW⋅h;Q为牵引
总牵引
系统所需能耗,kW⋅h;Q为AC380V辅助负载
辅助
所需能耗,kW⋅h;Q为DC110V负载所需能
图5牵引能量传递过程直流负载
耗,kW⋅h;P为踏面功率,kW;P为AC380V
轮周功率辅助
,kW;P为DC110V负载功率,
直流负载
kW;φ为齿轮箱效率;φ为电机效率;φ为
辅助能耗主要是为了维持牵引系统及制动系齿轮箱电机逆变器
AC380V逆变器效率;φ为双向充电机效率;φ为
统正常工作所需的能耗,包括牵引变流双向充电机DC/DC
器冷却用水泵、风机、牵引电机冷却风机、制动系DC/DC变换器效率。
统空压机等。能量传递过程如图6所示,动力电池
3典型线路区间应急牵引能耗计算分析
能量通过双向充电机逆变后传递给用电负载。

以京沪、京广、京哈(承德—哈尔滨)、沪昆、兰
新、西成、合福、沪蓉和徐兰线9条线路条件进行能
耗仿真计算。

在变坡点按应急牵引特性满级起动加速,如
图6AC380V辅助能量传递过程
坡道过大导致平衡速度低于35km/h时则以实际
平衡速度运行;当速度到达35km/h后,如遇到上

坡或者平道则列车处于牵引状态维持35km/h运
直流负载能耗主要为了维持列车控制系统、
行;如遇到下坡,列车处于惰行状态,速度可随着
应急设备正常工作所需的DC110V直流能耗,包
下坡增加,当速度达120km/h时,列车施加空气制
括网络控制系统、各个系统的控制单元、应急通
动到80km/h后转惰行,下坡运行维持速度在80~
风、应急照明等。能量传递过程如图7所示,动力
120km/h之间。
电池能量通过DC/DC变换器传递给直流用电负载。

根据上述的能耗需求计算原理进行应急牵引
能量仿真计算,统计京沪、京广、京哈(承德—哈尔
滨)、沪昆、兰新、西成、合福、沪蓉、徐兰线9条主
要客运专线应急牵引的结果,如图8、图9所示。9
条线共902个计算区间,当输出电量为100kW⋅h时
图7DC110V直流负载能量传递过程可以通过865个区间,%;当输出电量为
第4期高速动车组应急牵引电量需求研究117
困难V字点两边坡道阻力均比牵引力大时存在自
牵引失败的情况。根据以上计算结果,建议在设
备舱空间满足安装时,高速动车组配置120kW⋅h
动力电池。
合福线的应急牵引能耗仿真计算如图10所
示、具体数据见表1,合福线计算区间36个,表中
起车公里标分别为该区间最困难点,正反向为该
困难点驶出区间耗电最少的方向,最大速度是应
急牵引期间按操纵方法可以达到的最高速度,
图8电池电量与区间(9条线)通过个数的关系
能耗即为从困难点驶出区间所需的能量,其中
K1772+590km处处于该线最为困难的V字形谷
图9电池电量与区间(9条线)通过率的关系
120kW⋅h时可以通过880个区间,%;由
V120kW⋅h
于字形困难点的存在,输出电量大于图10合福线动力电池输出电量
时,增加输出电量对通过率的提升贡献不大,有些和区间通过个数的关系
表1合福线各区间困难点应急牵引能耗、速度计算结果
区间能耗/最大速度/正反向(下区间能耗/最大速度/正反向(下
起车公里标/km起车公里标/km
序号(kW⋅h)(km⋅h-1)行为正向)序号(kW⋅h)(km⋅h-1)行为正向)
1K988+2251535反向19K1235+794768反向
2K997+9921335正向20K1238+6181335反向
3K1000+7521335反向21K1263+6531235正向
4K1011+1225155反向22K1276+4034863反向
5K1024+7221235反向23K1287+0531136正向
6K1036+7867482正向24K1295+4534550反向
7K1058+0662035反向25K1329+4478594反向
8K1078+0512663正向26K1400+816164105反向
9K1091+7724948反向27K1447+776105109正向
10K1107+8721535正向28K1481+6668855反向
11K1124+9724754反向29K1508+53240120反向
12K1135+4722435正向30K1558+504123110反向
13K1153+37265103反向31K1607+723107104正向
14K1166+0726391正向32K1658+22516199反向
15K1182+76873120反向33K1685+0971335正向
16K1190+8683135正向34K1715+54749120正向
17K1209+3687635正向35K1739+5478998反向
18K1232+4185920正向36K1772+590201101反向
118铁道机车车辆第42卷
底,如图11所示,‰的上坡,上计算可知,往上行方向驶向闽清北耗电量相对少,
‰的上坡,对于该点来说,通过仿真需要201kW⋅h。
图11合福线应急牵引典型困难点
参考文献
4结论
[1]赵宇,王志,陆阳,
高速动车组设备舱空间有限,动力电池价格析及应急自牵引技术方案[J].铁道机车车辆,2018,38
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急牵引和应急空调制冷系统[J].机车电传动,2019
点,在对线路坡道起伏、分相、车站分析的基础上,
(5):116-120.
提出一种适用于区间失电电池容量的计算方法,
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新、西成、合福、沪蓉、徐兰线9条主要客专共902
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%;当输出电量为120kW⋅h时可以通过880110-115.
个区间,%,建议在设备舱空间满足安装[5]谭海云,***16号线车辆
[J].20156838590.
时,高速动车组配置120kW⋅h动力电池。上的应用机车电传动,():-,
ResearchonEmergencyTractionPowerDemandof
High-speedEMU
SONGYongfeng1,3,SHANWei2,ZHAOYu1,3,LIUYang1,3,JIABing1,3
(1Locomotive&CarResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciencesCorporationLimited,Beijing100081,China;
2ChinaStateRailwayGroupCo.,Ltd.,Beijing100844,China;
3StateKeyLaboratoryofTractionandControlforEMUandLocomotives,Beijing100081,China)
Abstract:Power-batteryselectionforemergencytractionoftheEMUisdirectlyrelatedtotheequipmentlayoutofEMUequipment
-speedEMUemergencytraction,thispaperproposesacalculationmethod
fortheemergencytractionbatterypowerdemandwhenthecontactnetworklosespowerintheinterval,whichcancalculatetheoptimal
pathandenergyconsumptionfromthedifficultsectionatdifferentlocationsinrealtimeaccordingtothelineundulation,phase
separation,
%calculationintervalwhenthebatteryoutputpoweris100kW⋅h,%
calculationintervalwhenthebatteryoutputpoweris120kW⋅⋅hpower
batterywhentheequipmentcompartmentspaceoftheEMUmeetstheinstallation.
Keywords:emergencytraction;powerbattery;power;EMU;simulationcalculation