城市轨道交通蓄电池工程车制动模式研究

卢林科

（厦门地铁运营有限公司，厦门 361000）

目前，在环保节能大环境要求下，各地铁公司大多优先选用蓄电池工程车。中车株洲电力机车有限公司生产的ZER3 型蓄电池工程车在同类工程机车中受到大众的广泛接受，DK-2 型制动系统是该机型的标准配置。该制动系统可以选用空电混合制动模式和空电联合制动模式，其中空电联合制动模式更有优势，可以适用于不同场景。

1 空电混合制动模式探讨

1.1 原理分析

图1 所示为电制动特性曲线图。当司控器手柄置于制动区时，制动机制动控制单元（Brake Control Unit，BCU）根据司控器手柄的位置计算出机车所需总的制动力大小，并根据图1 计算出所需电制动力的大小。通过网络向牵引系统申请电制动力，申请的电制动力为机车所需的总制动力与计算的电制动力两者的较小值。牵引系统根据自身能够提供的电制动力，通过网络返回给BCU 实际能够实施的电制动力大小。BCU 对机车所需的总制动力和返回的实际电制动力进行比较，如果电制动力完全满足机车总制动力需求，则空气制动力为0；如果返回的实际电制动力小于机车总制动力需求，则空气制动力为机车总制动力与返回的实际电制动力之差。

图1 电制动特性曲线

1.2 制动控制方式

为了提高制动速率，以便电制动力下降时能够及时补充空气制动力，当司控器置于制动区时，机车制动缸会保持40 kPa 的空气压强，此压强能够保证闸瓦刚好贴近闸片，达到轻微的制动状态[1]。

1.3 优劣性分析

空电混合模式的优点是制动响应快、制动效率高，能够实现电制动与空气制动的有机结合，电制动力不足时空气制动能够快速介入。该模式的缺点也很明显，无论机车制动时所需的制动力为多少，空气制动都会介入，没有充分利用电制动功能，基础制动闸瓦的磨耗较快。此外，仅小闸制动具备混合制动功能，大闸制动未集成电制动功能，操作大闸制动时电制动无法自动介入。在地铁工程车施工或救援应用场景中，普遍采用双机或附挂车辆的方式，大闸制动频率高于小闸制动，无法充分利用制动电能，节能环保性降低。

2 空电联合制动模式探讨

2.1 功能优势分析

空电联合制动指以电制动（包括电阻制动及再生制动）与空气制动为基础，在优先、充分使用电制动原则的前提下，空气制动与电制动有机结合的一种综合制动功能[2]。空电联合制动可以充分利用机车电制动力来减少空气制动时机车基础制动装置的机械磨耗，从而延长基础制动装置的使用寿命，降低检修维护成本。同时，采用空电联合制动可以缩短制动力的建立时间，缩短制动距离，提升制动系统的可靠性和安全性。

2.2 原理分析

空电联合装置包括BCU、中央控制单元（Central Control Unit，CCU）、DBI 电磁阀和空电联合转换开关等，如图2 所示。

图2 空电联合装置结构

当司机通过自动制动手柄施加自动制动时，列车管减压，BCU 将根据自动制动手柄的位置计算目标制动缸压力，并按照常用全制动目标制动缸压力对应电制动申请百分比为100%来计算电制动申请百分比，然后通过多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus，MVB）将电制动申请百分比发送给CCU。当列车管减压量增大时，电制动申请百分比相应增大。紧急制动时，因制动缸压力比常用全制动高，将产生一个大于100%的电制动百分比。列车管完全缓解前，电制动申请百分比将为0[3]。机车CCU 在接收到BCU 发送的电制动申请百分比后，按与空气制动力对应大小申请电制动力，并综合当前工况下可用的电制动力、空电联合开关“=28-S31”状态、牵引/电制动手柄电制动力设定值，根据图3 流程输出DBI 信号。

图3 DBI 指令输出流程

当CCU 输出DBI 信号后，如果此时主断状态开关“=21-K02”闭合，则DBI 电磁阀将得到励磁。同时，远程信息控制单元（Telematics Control Unit，TCU）将获得CCU 通过MVB 发送的电制动值，并控制牵引电机反向励磁，产生电制动力，经牵引变压器将电制动能量回馈接触网。DBI 电磁阀励磁后，其与作用阀之间的作用管压力空气将排向大气，制动缸与大气导通，制动处于缓解状态。

3 空电联合制动与空电混合制动对比分析

3.1 空电联合制动

联合制动通过操作大闸制动实现。当操作大闸施加制动时，列车管减压，此时如果机车有动力制动可以提供，那么机车电制动会被施加（电制动施加的大小根据列车管减压量进行控制），空气制动会被切除。由于列车管减压，被连挂车辆会自动施加空气制动[4]。

3.2 空电混合制动

混合制动是机车的空气制动和动力制动能够同时作用。当操作小闸施加制动时，机车会优先采用电制动力，当电制动力不足时，会自动补充机车的空气制动力。当电制动故障时，自动切除电制动力，全部采用空气制动力。当操作大闸施加制动时，机车只采用纯空气制动，电制动不介入，闸瓦磨损量较大[5]。

3.3 对比分析

由表1 可以看出，空电联合模式下电制动的次数为4 次，是空电混合模式的2 倍。在机车中速运行（常用工况）下，空电联合模式采用大闸制动，电制动功能可有效参与制动，进而减少闸瓦磨耗。特别是在多车辆编组情况下，采用小闸制动无法使列车减速停车，只能采用大闸制动，空电联合的优势更加明显。

表1 两种制动模式的工况分析

4 结语

从ZER3 型蓄电池工程车DK-2 型制动系统控制模式的技术性及节能性出发，分析了空电混合、空电联合制动模式的技术特点。空电联合控制模式在空电混合控制基础上有效提高了电制动参与率，减少了闸瓦磨耗，并利用制动产生电能反馈接触网，从而达到节约能源的目的。综上所述，无论从技术方面还是功能合理性方面考虑，相较于空电混合制动模式，ZER3 型蓄电池工程车制动系统采用空电联合制动模式具备更好的操控性和节能环保性。