Design of Electrical Control System for 300kW Electrically Driven Railway Vehicle 

Abstract：The 300kW Electrically driven railway vehicle adopts a DC-AC electric drive system, with a lithium iron phosphate battery as the power source, the high-voltage direct current output by the battery is distributed through the high-voltage box, and the motor controller (traction inverter) is inverted into three-phase alternating current with adjustable voltage and frequency, which is supplied to the AC traction motor, and the wheelset is driven to rotate through the transmission shaft and gearbox.

Keywords:Electrically driven railway vehicle ; iron phosphate battery; Inverter.

0 引言

传统地铁轨道车以柴油机为动力源，在隧道内进行牵引作业时，噪音大、大量消耗隧道内氧气并排放有害尾气，导致隧道内施工环境恶劣。随着城市轨道交通的快速发展以及我国隧道施工水平的大幅提高，工程施工集团已对于环保、清洁、经济、高效、安全的牵引车辆有所需求。目前电传轨道车在地铁新建施工作业车辆中逐渐成为主流，本文主要对300kW电传动轨道车动力传动系统、车辆控制系统、遥控驾驶系统及辅助电气系统进行了介绍。

1、动力传动系统

1.1整车主要参数及运行工况

300kW电传动轨道车主要由车体、车架、走行部、电传动系统、制动系统、车钩、车体设备及内装外观七大系统组成，整车主要参数及运行工况如表1、表2所示。

表1 整车主要参数

表2 整车运行工况

1.2 电传动牵引特性曲线

300kW电传动轨道车电传动牵引特性曲线如图1所示：

图1 牵引特性曲线

1.3牵引传动方案

300kW电传动轨道车为两轴电传动轨道车，动力电池容量为315Ah，额定轮轴功率为300kW，动力蓄电池是整车所有电能的来源，通过在动力电池输出端增加高压箱来实现电量分配，通过高压箱向电机控制器和辅助电源柜供电，电机控制器将动力蓄电池输出的直流电变换成频率和幅值都可调的三相交流电，并给牵引电机供电，制动方式采用空气制动、电制动及驻车制动。

图2 牵引传动系统框图

1.4 动力电池组成方案

表3 动力电池组成方案

动力电池系统主要由电池箱、高压控制盒、BMS管理系统、冷却系统和消防系统及相关线束组成，动力电池系统主回路主要由继电器，电池箱，高压熔断器、手动维修开关MSD，电流传感器及充电接口等组成。动力电池并联支路由两路组成，当某一支路动力电池故障时可以切除故障支路，保障车辆可以继续运行。

电池管理系统通过控制继电器合分状态实现电池系统与牵引主电路和辅助电路的通断控制，从而实现电池系统的投入与切除。每个电箱配置高压熔断器，实现系统的过载及短路保护，负母线串联MSD手动维修开关，用于后续电池箱和主电路的检修，电流传感器用于检测电池组充放电电流，为电池管理系统提供实时电流信息用于软件算法控制及相关保护控制，电池系统主回路电气原理图如图3所示。

图3 高压电气原理图

电池芯体充放电时会产生部分热量，过热导致芯体出故障，冬季温度过低也会导致电池充放电效率变低或者无法运行，因此给电池配置了温度管理系统，平衡电池温度在合适的范围内。在电池电芯和箱体之间留有导热硅胶，多余的热量能通过热传导以更快的速度传递给箱体循环水路，当电池电芯温度过低，不利于放电时，通过箱体水路中的冷却水加热，将热量传递给电芯。

图4 加热/冷却结构

当电池遭到超过防护标准外的巨大压力挤压导致电池发生形变，内部出现危险着火时，电池pack内部的灭火装置启动，将其报告给整车控制器和BMS，整车控制器或BMS通过危险等级做出判断，下发指令启动紧急灭火装置，两个任意一个达到了设置的危险等级，均能启动灭火装置，避免整车出现更大的损伤。

2、车辆控制系统方案

2.1 电气控制系统方案

电气控制系统主要由整车控制器（EMS）、司控器、启动钥匙开关、中间继电器、液晶显示屏等组成。整车控制器（EMS）通过接收启动钥匙及司控器的控制信号控制轨道车的启动、起步、运行调速、减速、停车、关机，从而达到对整车的控制。同时，整车控制器（EMS）还具有整车故障诊断功能，并驱动液晶显示屏显示轨道车实时运行数据。EMS和牵引变流器、电池管理系统（BMS）之间通过CAN通信，并将数据通过串口通信方式与液晶屏连接。

司机台上液晶显示屏显示整车的实时运行数据，主要包括系统状态、动力电池组剩余电量、总电压、总电流、牵引电机温度、牵引逆变器温度、动力电池组单体信息、车速、里程、牵引电机转速、档位标识、启动标识等信息。

图5 电气控制系统方案

2.2 主要功能

2.2.1 控制系统具备两种控制器模式：转速控制和转矩控制。可以针对不同应用场景，设置符合的控制器模式，完成车辆启停控制﹑调速控制、车辆走行控制，具备工况互锁保护、车辆数据的采集和报警功能。

2.2.2 控制系统可以通过车轴转速传感器监测行车状态，当动轴车轮出现打滑时，控制系统能对牵引电机电流进行控制，使车辆能够正常行走。

2.2.3 控制系统可接收紧急制动高电平信号（DC24V），并控制走行系统紧急卸载并实施紧急制动。

2.2.4控制系统可采集前/后司控台手柄信号,控制车速在0～60km/h范围内无级调速。

2.2.5控制系统可采集前/后司控台上换向开关 信号实现车辆平稳换向。

2.2.6 控制系统可与整车控制、电机控制器﹑电池管理系统﹑高压配电柜﹑辅助逆变器﹑显示仪表等子系统进行CAN通讯，将需要显示信息通过显示仪表显示。

2.2.7 控制系统具备完善的检测﹑控制和报警功能，控制系统检测到故障时，进行相关保护控制和报警（电机开率、预充电故障、电源欠压、严重欠压、过压、严重过压、电机过温、电机温度传感器故障、控制器温度严重过低、控制器温度严重过高、控制器过流、电机堵转、CAN信号丢失）。

3.遥控驾驶系统

整车设有人工驾驶或遥控驾驶两种方式，为确保行车安全减少误操作风险，人工驾驶模式与遥控操纵模式下行车相关操作采用互锁方案，遥控器模式下司机台上的油门手柄，换向开关操作无效，反之亦然。除此之外，整车预留无人驾驶接口，便于用户后期进行信息化提升。

无线遥控行驶走行功能包括：牵引、制动、缓解、鸣笛、紧急停车。方向控制功能包括：前进、后退、中立。辅助功能包括：手动撒砂、灯光控制、紧急停车。遥控器自带显示器可以显示：车速、制动缸压力等信息。

图6 遥控驾驶系统框图

4.辅助电气系统

车辆配备了一套辅助电源柜，辅助电源为整车控制系统﹑生活负载和电动空压机供电，辅助电源系统要求为蓄电池工程车控制系统提供DC24V电源，为生活设施提供工频AC220V交流电源，为电动机提供工频AC380V交流电源。

辅助电源系统的容量需满足生活设备用电的同时还需要满足7.5kW电动空压机启动运行用电。

图7 辅助电气系统方案

4、结语

本文主要对300kW电传动轨道车动力传动系统、车辆控制系统、遥控驾驶系统和辅助电气系统进行了介绍，该车采用直-交传动方式，具有稳定的动力源，并且有操作简便、绿色环保、噪音低、运用费用低、动力强劲等特点，相对于传统内燃轨道车有较大的优势，已在工程局施工作业中逐步应用，后续亦可扩展应用到城轨线路的维保作业。

参考文献：

［1］GB/T 10082-2010 重型轨道车技术条件［M］.北京：中国标准出版社,2010.

［2］GB/T 21413.1-2018轨道交通 机车车辆电气设备 第1部分 一般使用条件和通用规则 ［M］.中国标准出版社,2018.