地铁列车充电机紧急蓄电池改造为紧急启动单元可行性分析

张艳辉

深圳地铁运营集团有限公司， 广东 深圳 518040

摘要：地铁列车紧急蓄电池是作为充电机控制模块的应急电源，在列车主蓄电池组亏电时，按下紧急启动电源按钮，紧急蓄电池将对充电机控制板卡供电，实现列车有气无电升弓。紧急蓄电池采用铅酸电池，使用寿命短（5年）、故障率高，存在短路起火的安全隐患。本文以SMA GVG 1500/110-25型充电机紧急蓄电池为例，提出采用免维护的电子集成式紧急启动单元替代紧急蓄电池，减少设备维护工作量，同时消除紧急蓄电池故障带来的安全隐患。

关键词：紧急蓄电池；紧急启动单元；应急启动；技术改造

1. 引言

地铁列车紧急蓄电池是作为充电机控制模块的应急电源，在列车主蓄电池亏电时，按下紧急启动电源按钮，紧急蓄电池将对充电机控制板卡供电，实现列车有气无电升弓。以SMA GVG1500/110-25型充电机紧急蓄电池为例，其采用铅酸电池，使用寿命短（5年）、故障率高，存在短路起火的安全隐患，紧急蓄电池位于充电机开关模块内部，日常维护时无法检查其外观状态，更换时需拆卸开关模块进行更换，维护工作量大。与紧急蓄电池相比，紧急启动单元采用电子集成式板卡，可直接将DC1500V转换为DC110V给充电机控制板卡供电，实现列车有气无电升弓。该产品技术成熟、质量稳定和日常免维护，不存在电池短路起火的安全隐患。

2. SMA GVG1500/110-25型充电机紧急蓄电池概述

1.1 SMA GVG1500/110-25型充电机概述

SMA GVG1500/110-25型充电机由蓄电池充电器模块GVG1500-02、连接和蓄电池配电模块AMG-03、输入扼流圈、1500V和110V直流电总线间电力分离的功率变压器组成。

该充电机输入电压在1000V~2000V时输出110V的直流电，该输出电压给蓄电池充电并给110V用电设备供电。在充电机输入装置中，有一个用于抑制寄生电流的输入滤波器；一个增压逆变器用于调节输入电压；还有一个全响应开关转换器用于产生1 kHz的交流电压，在电离后，该交流电压可通过星形连接整流、并使波形平滑。

该系统由另一个微处理器管理，该微处理器可与DSP通过内部接口通信，并通过主/从程序监控其工作，另外其管理诊断系统可以分析系统内产生的任何干扰，并能断定由此产生的故障。

1.2 紧急蓄电池概述

紧急蓄电池单体安装于AMG-03模块中，由9个额定电压12 V、额定容量1.2 Ah的铅酸蓄电池单体组成，设计寿命为5年。在列车主蓄电池亏电时，按下紧急启动电源按钮，紧急蓄电池将对充电机控制板卡供电，实现充电机紧急启动，进而激活列车。

1.3 充电机紧急启动电路原理

SMA GVG1500/110-25型充电机紧急启动供电，充电机通过断路器2QF17用对紧急蓄电池进行充电，紧急蓄电池通过断路器2QF18对外围电路进行供电。当主蓄电池电量低时，紧急蓄电池将帮助启动充电机模块。按下司机室电源柜中紧急启动电源按钮2SB01，紧急蓄电池2GB03将通过断路器2QF18对继电器2KA02线圈进行供电，进而通过2KA02的触点对充电机的控制板件进行供电。充电机开始工作，对全车的DC110V负载进行供电，并同时对蓄电池以及紧急蓄电池进行充电。当充电机开始工作后，紧急蓄电池在延时继电器2KT03计时到15分钟后被切断。

3. 改造方案

2.1 电路改造

紧急启动单元替换紧急蓄电池后的充电机紧急启动。电路改动较小，其他部分保持原样，仅改动以下部分：

1. 紧急启动单（DBS）元直接替换原有的紧急启动蓄电池（2GB03），从充电机主回路接入1500V作为输入；

2. 去掉蓄电池充充电电路接线（2R02到蓄电池2GB03）；

3. 将非永久母线接触器（3k06）线圈正端作为反馈，接到紧急启动单元的检测接口。

当列车因蓄电池电压过低而无法激活时，紧急启动电源可将1500V高压输入转换为110V输出。紧急启动外围控制电路保持不变，操作紧急启动按钮（2SB01）后，紧急启动供电继电器（2kA02）闭合，紧急启动输出的110V便可为充电机控制电路供电。

充电机启动后，车载蓄电池电压升高。当其电压大于欠压检测继电器（3k05）设定值时，操作列车激活按钮，欠压检测继电器（3k05）和非永久母线接触器（3k06）将会闭合。此时充电机控制电路可以由外部蓄电池供电。同时，紧急启动单元检测到非永久母线接触器线圈得电，输出将保持约1s后进入静默状态，停止工作。

2.2结构改造方案说明

紧急启动单元的结构外形，单元设计成L型，总体尺寸为295*170*190mm。紧急启动单元直接采用原来紧急启动蓄电池的安装空间和安装方式（通过底部四个安装孔固定在充电机单元上）。

紧急启动单元与充电机内的各高压零部件保留有足够电气间隙，同时在其正面使用绝缘板作为顶盖，避免出现放电情况。

紧急启动单元的输入输出均设计在正面操作，同时在顶盖上保留输入输出指示灯，便于使用和维护。

4. 紧急启动单元说明

3.1 原理介绍

紧急启动电源主要作用是将1500VDC输入转化为110VDC控制电源。主要构成如下：

图 1 紧急启动单元原理框图

输入熔断器和限流电阻用于保护高压回路，紧急启动电源内部故障时，不会影响高压主回路工作。

DCDC变换电路将将高压输入转化为110VDC输出，并通过内部变压器实现高低压之间的隔离。

输出缓冲电路，用于容性负载启动时的缓冲。110V控制电路前端一般会加容量较大的滤波电容，直连电源时会产生瞬态大电流。缓冲电流可以限制输出电流，从而提高其使用寿命。

蓄电池电压检测电路，用于监控非永久母线电压。非永久母线不能正常供电时，紧急启动电源才会工作，其他时候处于静默状态。通过减少其紧急启动电源作时间，也能大幅提高其使用寿命。

控制及保护电路，控制DCDC变化器中的MOS管工作；检测及反馈输出电压，从而闭环控制输出电压稳定。紧急启动电源内还设计有输入输出过欠压、过流保护。

3.2可靠性说明

电路板设计寿命为15年，远大于蓄电池寿命。影响电路板上电子零部件寿命的主要因素的是温度，高温条件下工作会加速器件老化。

紧急启动电源设计成常态下都不工作的模式。列车正常运行时或完成紧急启动后，紧急启动单元检测到非永久母线供电正常，会自动停止工作，内部的半导体开关器件、变压器等都不会工作，没有损耗发热，也不承受电压电流应力。从而提高寿命。

3.3 故障影响

需紧急启动蓄电池相比，本方案从主回路引入了1500V高压电，要严格避免出现短路而导致主回路供电失效的情况。

本方案中紧急启动电源设计有两级保护：

单元内设计有输入快速熔断器，额定电流为1A。25kW充电机额定工况下输入电流约为16.7A，熔断器选型一般至少大于正常工作电流的1.5倍。考虑到高压供电波动范围，实际选型还会提高。紧急启动电源输入熔断器额定电流远低于充电机主回路的输入熔断器。若紧急启动单元内出现短路，紧急启动输入熔断器会先熔断，不会影响主回路正常工作。

除了熔断器保护点外，还要考虑保护熔断速度，若熔断器断开时，电流太大，可能会影响充电机主回路熔断器的寿命。单元内设计有输入限流电阻，阻值为250Ω。1500V供电系统正常最高电压为2000V。即使出现短路，限流电阻限制最大电流小于8A；而对主回路的熔断器不会有任何影响。

5. 结论

紧急蓄电池鼓包漏液后存在短路起火的安全隐患，若正线发生故障将导致冒烟，引起乘客恐慌和影响运营服务质量，该影响不可估量。综合上述分析，采用电子集成式的紧急启动单元方案可行，安全效益性及可靠性更高，故障影响在可接受范围内。