纯钛酸锂电池的短编组城轨教学车辆设计

纯钛酸锂电池的短编组城轨教学车辆设计

张浩王军民

中车株洲电力机车有限公司    湖南株洲  412001

摘  要：为满足高校的实际教学需求，并符合学校的场地限制，自主研制的由纯钛酸锂电池牵引，20 km/h 速度等级轻量化铝合金城轨车辆，无需另外铺设路旁线网或第三轨，车辆主要用于高校教学需求。文章介绍了车辆的总计技术性能，纯钛酸锂电池作为动力包系统，适应短编组的设备安装设计、轻量化内装、铝合金车体、动力系统、列车控制系统等部件的基本特点。

关键词：短编组、动力电池、轻量化、教学车辆

1  概述

纯钛酸锂电池牵引的短编组教学车辆是中车株洲电力机车有限公司自主研发生产的主要针对学员培训、检修、维护的城轨教学车辆，车辆的设计服务于高等院校的城轨车辆实际教学。车辆需满足高校实际线路的空间、供电、教学要求。该项目车辆的技术亮点如下[1]：

1）车辆采用纯钛酸锂电池牵引，不需架设接触网或铺设第三轨；

2）采用全新开发设计的动力电池加主辅一体方案，可满足短编组设备布置的空间要求；

3）满足高校实际的线路条件、限界、充电、检修维护及信号接口要求；

4）列车采用2 节短编组，1动1拖，最高运行速度20 km/h；

5）车辆采用双司机室设计，客室顶部设置客室空调，司机室顶部设置通风单元，保证了教学期间教员和学生的教学舒适性。

本项目车辆是自主研发的用于高校教学的城市轨道交通车辆，经过在学校现场的实地调研及多次技术探讨，全新设计的由纯钛酸锂电池提供动力的城轨教学车辆。

2  车辆的总体技术性能

2.1  车辆型式及列车编组

车辆型式：

列车编组方式：=Tc-Mpc+，其中“=”为全自动车钩，“-”半永久牵引杆，“+”为半自动车钩，Tc车为带司机室的拖车，Mpc为配置受电弓、集电靴、带司机室的动车，动拖比1：1

图1  列车编组

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2.2 车辆主要尺寸

车辆的主要设计尺寸如表1所示。

表1 车辆主尺寸

2.3 车辆载客能力及车辆重量

教学车辆的最大载客能力如表2所示，可满足两个以上班级学生的教学需求。

表2 各种工况下的载客

载客量计算结果按照《城市轨道交通工程项目建设标准（建标104-2008）》计算，其中客室长座椅按人均占有长度420～450mm计算（设计指南），座椅横截面宽度（座椅+放脚空间）规定的0.7m计算。车辆的最大轴重重量14t。

2.4 车辆的主要技术指标

1）列车运行速度。

车辆最高运行速度为20 km/h，设计构造速度30 km/h。

2）列车牵引加速度。

列车在平直干燥轨道上，额定电压时，列车启动加速度≥0.5m/s2（0-20km/h）。

3）列车制动减速度。

列车在平直干燥轨道上，额定电压时，列车常用制动减速度≥1.0m/s2（20-0km/h）

空气制动采用轴盘制动，采用架控的方式，相对车控提高了冗余能力，列车的最大紧急制动≥1.2m/s2;

2.5 适应短编组的设备安装方案

受高校线路制约，车辆为短编组双司机室的车辆设计，为满足牵引、辅助、制动等设计的安装，对车辆底架设备布置方案进行了集成优化，详见图2车辆底架设备布置安装图。

图2-1  TC车设备布置示意图

图2-2 MPC车设备布置示意图

3  车辆各主要系统及主要部件

3.1 车体及车钩装置

车体采用轻量化整体承载全焊接结构。用于车体的挤压型材的材料为6000系铝合金，结构部件的挤压件大多采用EN AW 6005A，在需加强的部位采用EN AW 6082。根据强度需要，低应力水平的非结构部件采用EN AW 5083板材,中高应力水平的非结构部件采用EN AW 6082板材，车体严格按照EN15085标准相关要求进行焊接的设计、生产。

为满足教学多样化的需求，列车配置全自动车钩、半自动车钩、半永久牵引杆。

3.2 内装系统

客室天花板高度2100mm，客室内部供乘客站立区域的最小高度为1900mm。

客室座椅沿纵向布置，每节车布置6个长座椅，椅面采用不锈钢材料，座椅骨架采用铝合金结构。

地板采用铝蜂窝地板结构。在车体底架上铺设弹性减振垫，地板铺设在减振垫上。地板布采用横向粘接安装，采用2.5mmPVC材质，直接粘接在地板上的安装方式，周边设有边缘挡板，可防止清洗时水浸入到地板布下面。

客室的照明装置为纵向布置的2条LED灯带，同时考虑到环保需求，车辆配置自动调光功能，每节车配置1台调光控制器和2台感光器。

3.3 车门

客室采用双开式电动塞拉门，每节客室设置4对双开电动内藏门，门扇进行轻量化设计，内部镂空，同时对容易夹手的缝隙进行了胶条补充，保护了学员的教学安全。同时客室的门窗玻璃采用防涂鸦薄膜保护，防止被故意涂鸦破坏。

考虑到车辆紧急情况下需要蓄电池供电，蓄电池供电时车门具有顺序开/关门功能。

车内采用下拉式手柄形式紧急解锁机构，可在教学过程中模拟紧急情况下解锁对应的客室侧门的操作，如图3所示。

在列车两端司机室的两侧均设置司机室侧门，采用手动折页门结构，可方便教员和学员的进出。

图3 列车车门具体布置

3.4 空调及通风系统

车辆空调及通风系统将为司机室和客室提供冷风和新鲜空气，以提高教学环境的舒适性。

空调机组为顶置单元式，下送下回的送回风型式。两台空调机组均采用制冷量为37kW的变频单冷空调机组，送风量为4250m³/h，其中新风量1300m³/h，根据制冷负荷能实现整车通风、制冷调节。

本项目司机室安装有通风单元，能保证司机室通风需求。

为满足特殊的教学需求，每节车的车顶布置1个主动废排装置。

3.5 转向架

本项目整列车配有4个转向架，分为2个动力转向架和2个非动力转向架。动力转向架和非动力转向架主体结构基本相同，主要部件有构架、轮对、一系悬挂（钢弹簧）、二系悬挂（空气簧）、高度调节装置、制动夹钳等装置、电机和齿轮箱传动装置（仅动力转向架）等。

3.6 牵引系统

列车牵引系统采用主辅一体逆变器和鼠笼异步牵引电机构成的交流电传动系统。每列车配备1 台主辅一体逆变器，采用架控方式，同时为4 台交流异步牵引电机供电，列车主电路见图4。

图4  列车主电路图

牵引能力满足：

（1）运行速度：20km/h

（2）加速度：最大加速度0.5m/s²

（3）减速度：最大减速度1.0m/s²

3.7 动力电池系统

按照高校的实际线路条件进行牵引仿真计算，动力蓄电池的整车配置电量为76.14kWh，在TC车安装1个钛酸锂电池，成组方式为2P18S，电池模组主要由电芯串并联构成容量更大、电压更高的电池组，集成有散热部件、单体电压检测、模组温度检测等[2]，电路拓扑图见图5所示，同时车辆控制系统采用DC110V电源，交流电源采用AC380V。在TC车安装1个蓄电池箱为辅助系统供电，蓄电池采用镉镍碱性蓄电池组。

图5  动力电池拓扑图

3.8 制动系统

列车配备一套制动系统：电空制动系统（EP制动），电空制动系统为模拟式制动系统。制动力由基础制动单元施加，每个轴设有两个轴盘制动单元。轴盘制动单元能主动（常用制动）或被动（停放制动）的施加空气制动。

制动系统具有空气制动模式。制动能力见表3。

表3 制动模式

注：√:自动激活；√**弹簧施加，空气缓解。

3.9 列车广播和乘客信息系统

乘客信息及视频监控系统为列车提供语音通信与语音广播，可模拟提供教学期间的所有语音信息。该系统包括以下子部件：列车广播系统（由司机室控制主机、广播控制盒、客室功放、乘客紧急通话器等设备组成），电子地图系统（LCD显示器等设备组成），客室端部LCD信息显示系统。

PIS系统具有冗余以太网和语音总线两级总线网络，车辆级冗余以太网采用以太网维护网。正常情况下，通过以太网列车线实现列车内部广播、对讲等语音信号的传输及整个广播系统控制信号的传输，在以太网网络故障的情况下，可以通过音频总线实现人工广播功能。在每个司机室PIS系统通过司机室控制主机接入MVB网络。

3.10 列车控制系统

TCMS采用分布式控制技术车辆控制级总线采用EMD电器中距离介质的MVB多功能车辆总线。中继模块REPs作为车辆级总线的网关，实现车辆级总线的数据转发功能。

按照不同的功能与硬件配置分为两种车型：带司机室的拖车Tc车和动车Mpc车。TCMS系统具体拓扑见图6。

图6  TCMS系统拓扑图

4 结束语

纯钛酸锂电池的短编组城轨教学车辆项目是按照高校实际教学要求，并依据高校内实际教学线路条件，定制化研制的用于学生教学的城轨车辆。该项目由于场地受限，无法架设接触网和第三轨，车辆采用两编组，主辅一体和纯钛酸锂电池作为牵引动力，采用科学合理设备布置安装方式，车辆已完成落车及相关调试工作，为后期其他类型教学车辆的研制提供了成功典范。

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参考文献：

[1]彭锋,周利,曹文祥,曹增明,张浩. 出口墨西哥蒙特雷市的灵活编组的铰接轻轨车辆设计 [J]. 机电信息. 

[2]李辉光,邵克成.   钛酸锂电池在轨道交通车辆中的应用研究 [J]. 铁道车辆. 2023 (06).

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作者简介：张浩（1993-），男，工程师，河北衡水人，主要从事轨道交通车辆设计研发工作。

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