一种城轨车辆电池应急牵引控制方法及其控制系统与流程

本发明涉及电池控制技术领域，并且更具体地，特别是指一种城轨车辆电池应急牵引控制方法及其控制系统。

背景技术：

目前城轨车辆主要通过接触网或者第三轨方式供电，该供电方式是车辆正常运行时的受流方式。当车辆运营中发生电网故障，或进入特殊无电区(如段内移库、坡道无电区、交叉路口等)，车辆将无法受流运行，所以设计一种应急牵引控制方法，解决特殊工况的应急牵引问题。

针对以上问题，现提出一种适用于城轨车辆的锂电池应急供电方式的自牵引控制逻辑，车辆正常运行无论采用接触网供电还是第三轨供电方式，都可在供电中断的情况下，通过锂电池所储存的能量驱动车辆低速移动，使车辆自牵引至所需车站或进行移库操作。现发明一种逻辑合理的锂电池应急牵引控制方法，使各系统同步通信联动，安全可靠的实现车辆自牵引运行。

碱性蓄电池应急牵引方案是通过增加车辆蓄电池容量的方式，辅助车辆通过无电区，通常该方案适用无电区距离较短的平直线路。该方案整车电路改变较小，控制逻辑较简单，主要通过牵引系统内部控制实现碱性蓄电池能流输出，驱动牵引电机。

该方案所采用的碱性蓄电池具有能量密度低、功率密度低、循环寿命短、重量体积较大等缺点，所以无法适用于地铁车辆应急牵引的长距离运行、频繁使用的要求。该方案控制逻辑简单，无法保证应急情况下车辆的运行安全。

现有技术中尚未披露一种城轨车辆电池应急牵引控制方法及其控制系统，以解决上述技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种城轨车辆电池应急牵引控制方法及其控制系统，该系统和方法实现了整车各系统的统筹管理，同时又实现各子系统的分级独立控制，实时通信并联动，实时监测故障状态，实现供电方式的合理转换，保证车辆在应急牵引模式下安全可靠运行。

基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种城轨车辆电池应急牵引控制方法，包括以下步骤：

当车辆需要开启应急牵引模式时，通过硬线信号控制和网络信号控制相结合实现转换开关箱与tcms系统，供电模式开关与转换开关箱、dc/dc变流器与牵引系统，电池系统与牵引系统，tcms系统与制动系统，tcms系统与牵引系统相互之间，tcms系统与dc/dc变流器相互之间，以及dc/dc变流器与电池系统相互之间的连接以启动牵引电池运行车辆。

在一些实施方式中，通过硬线信号控制和网络信号控制相结合实现转换开关箱与tcms系统，供电模式开关与转换开关箱、dc/dc变流器与牵引系统，电池系统与牵引系统，tcms系统与制动系统，tcms系统与牵引系统相互之间，tcms系统与dc/dc变流器相互之间，以及dc/dc变流器与电池系统相互之间的通信，包括：

将供电模式开关旋转至电池位，通过供电模式开关将“电池位硬线信号”传输到dc/dc变流器、牵引系统以及转换开关箱；

在转换开关箱接收到供电模式开关的“电池位硬线信号”后闭合电池运行接触器，并将“转换开关电池位”状态信号传输到tcms系统；

通过tcms系统将“转换开关到位信号”传输到dc/dc变流器，将“电池牵引-预备”和“电池牵引信号”传输到牵引系统以及将“转向架强制缓解指令”传输到制动系统；

通过车辆控制电路将“车辆生命中断信号”传输给dc/dc变流器，并且通过电池系统将“电池故障信号”传输到dc/dc变流器。

在一些实施方式中，该方法还包括，在回复正常供电后，通过dc/dc变流器控制充电电流和电压以为电池充电。

在一些实施方式中，制动系统控制还包括，当制动系统接收到“转向架强制缓解指令”之后启动应急牵引纯空气制动模式。

在一些实施方式中，dc/dc变流器控制还包括，

当dc/dc变流器接收到供电模式开关的“电池位硬线信号”和tcms系统的“转换开关到位信号”之后启动，对电池进行升压，反方向输出车辆牵引所需电压，再通过车辆牵引母线给其他车厢的牵引逆变器供电；

当dc/dc变流器接收到“车辆生命中断信号”和“电池故障信号”时，退出运行dc/dc变流器。

在一些实施方式中，dc/dc变流器控制还包括，

当dc/dc变流器接收到供电模式开关的“电池位硬线信号”和紧急运行按钮的“紧急运行按钮信号”之后启动，对电池进行升压，反方向输出车辆牵引所需电压，再通过车辆牵引母线给其他车厢的牵引逆变器供电。

在一些实施方式中，牵引系统控制还包括，

当牵引系统接收到“电池位硬线信号”、“电池牵引-预备”以及“电池牵引信号”之后进入电池应急牵引模式；

当车辆进入电池应急牵引模式后牵引系统开启限速控制；

通过牵引系统实时监测电池和dc/dc变流器的运行状态并在检测到故障信号后退出电池紧急牵引模式。

在一些实施方式中，电池系统控制还包括，

通过电池管理系统bms控制电池系统的开闭；

当电池系统开启后，通过dc/dc变流器控制电池系统在放电过程中的输出电压和电流并且通过电池管理系统bms实时监测故障情况并检测到故障时输出“电池故障信号”。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种城轨车辆电池应急牵引控制系统，包括：

供电模式开关，该供电模式开关连接牵引系统和转换开关箱；

tcms系统，该tcms系统连接转换开关箱、制动系统和牵引系统；

dc/dc变流器，该dc/dc变流器连接供电模式开关、tcms系统；

电池系统，该电池系统连接牵引系统和dc/dc变流器；以及

控制断路器；

其中，控制断路器布置在车辆电气控制箱中以控制上述部件。

在一些实施方式中，该系统还包括紧急运行按钮，该紧急运行按钮连接dc/dc变流器。

在一些实施方式中，转换开关箱包括正常运行接触器、电池运行接触器以及用于控制正常运行接触器和电池运行接触器的中间继电器。

技术效果：本发明实施例提供了一种城轨车辆电池应急牵引控制方法及其控制系统，

(1)解决了段内移库、交叉路口和复杂坡道等特殊工况的牵引难题,实现了整车各系统的统筹管理，同时又实现各子系统的分级独立控制，实时通信并联动，实时监测故障状态，实现供电方式的合理转换，保证车辆在应急牵引模式下安全可靠运行。

(2)通过硬线信号控制和网络信号控制相结合的控制逻辑实现各系统通信并联动，保证供电方式之间的安全转换以及车辆的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的电池牵引控制网络拓补示意图；

图2为本发明的dc/dc变流器控制逻辑的示意图；

图3为本发明的牵引系统电池牵引模式控制逻辑的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了一种城轨车辆电池应急牵引控制方法的实施例。图1示出的是本发明提供的电池牵引控制网络拓补示意图。

一种城轨车辆电池应急牵引控制方法，优选地，包括以下步骤：

当车辆需要开启应急牵引模式时，通过硬线信号控制和网络信号控制相结合实现转换开关箱101与tcms系统104，供电模式开关102与转换开关箱101、dc/dc变流器105与牵引系统103，电池系统与牵引系统103，tcms系统104与制动系统107，tcms系统104与牵引系统103相互之间，tcms系统104与dc/dc变流器105相互之间，以及dc/dc变流器105与电池系统相互之间的连接以启动牵引电池运行车辆。

电池优选为锂电池。

如图1所示，本发明采用能够长时间大电流放电的钛酸锂电池作为动力电池，通过双向dc/dc变流器105实现锂电池的能量输出与电压转换，通过转换开关箱101、供电模式开关102等实现供电方式的转换，通过合理的控制逻辑实现各系统通信并联动，来应急牵引车辆运行。

该应急牵引控制逻辑需实现两种供电模式的安全转换，合理控制电能传输。锂电池的应急牵引过程是车辆在平直轨道上静止，司机通过激活操纵台上的供电模式开关102，使牵引系统103由正常供电模式转换为锂电池供电模式，让车辆在无高压输入的情况下自行牵引，以实现车辆移库转运功能。锂电池通过升压装置来输出牵引电能。锂电池应急牵引时仅保证车辆基本的牵引系统103负载工作，锂电池供电模式主要用于段内和坡道无电区。

当电网无故障，车辆运行于正线时，电能通过供电网传输到牵引逆变器上，通过牵引逆变器整流为牵引电机供电，另一部分电能通过dc/dc变流器105变压后存储于锂电池内。

当电网发生故障无高压或者通过特殊区域时，通过激活锂电池供电模式，锂电池变为动力电源，通过dc/dc变流器105升压并反向传输电能至牵引逆变器，牵引逆变器整流后为牵引电机供电，驱动车辆低速运行。

在无网压的紧急情况下，车辆应急牵引所需电能由应急牵引锂电池供电。车辆辅助系统紧急负载由两组碱性蓄电池组供电，两种工况的电压转换通过各动车车下的dc/dc变流器105实现。

锂电池应急牵引工作流程概述如下：

(1)在车辆正常情况下，供电模式开关102与转换开关箱101处于“正常”位；

(2)在车辆需要使用锂电池应急牵引的情况下，通过操作供电模式开关102“电池”位激活锂电池应急牵引；

(3)接收到激活信号后，转换开关箱101切换至“电池”位；

(4)dc/dc变流器105接收指令并启动，将锂电池电压升压为牵引逆变器所需电压，并通过列车母线送至每节车的牵引逆变器上。

(5)牵引系统103接收指令并开启锂电池应急牵引模式，启动牵引电机运行。

在一个实施方式中，通过硬线信号控制和网络信号控制相结合实现转换开关箱101与tcms系统104，供电模式开关102与转换开关箱101、dc/dc变流器105与牵引系统103，电池系统与牵引系统103，tcms系统104与制动系统107，tcms系统104与牵引系统103相互之间，tcms系统104与dc/dc变流器105相互之间，以及dc/dc变流器105与电池系统相互之间的通信，包括：

将供电模式开关102旋转至电池位，通过供电模式开关102将“电池位硬线信号”传输到dc/dc变流器105、牵引系统103以及转换开关箱101；

在转换开关箱101接收到供电模式开关102的“电池位硬线信号”后闭合电池运行接触器，并将“转换开关电池位”状态信号传输到tcms系统104；

通过tcms系统104将“转换开关到位信号”传输到dc/dc变流器105，将“电池牵引-预备”和“电池牵引信号”传输到牵引系统103以及将“转向架强制缓解指令”传输到制动系统107；

通过车辆控制电路将“车辆生命中断信号”传输给dc/dc变流器105，并且通过电池系统将“电池故障信号”传输到dc/dc变流器105。

如图1所示，本控制方法是通过硬线控制信号和网络控制信号配合实现，各系统既要独立控制，又需要互相实时通信并联动，共同配合，保证车辆应急牵引模式下安全可靠运行。控制设备由转换开关箱101、dc/dc变流器105、供电模式开关102与各系统设备组成。

对于控制断路器，本控制方法设置供电模式控制断路器、转换开关控制断路器、牵引电池控制断路器、dc/dc变流器105控制断路器，断路器布置于车辆电气控制柜内，对各设备进行通断控制与保护。启动应急牵引时各断路器需为接通状态。

供电模式开关102：其设置在操纵台柜门上，该开关为万转开关，用于司机手动控制转换开关箱101在“正常”与“电池”位之间的主触点转换，并通过辅助触点将控制信号传输给dc/dc变流器105和牵引系统103；供电模式开关102有两个位置，左侧是“正常”位，表示车辆通过供电网受电，右侧是“电池”位，表示车辆使用牵引锂电池供电。在车辆正常运行过程中，开关处于“正常”位。

当司机开启供电模式开关102的“电池”位时，各设备进入相应工作状态，各系统设备进行如下控制：

转换开关箱101：其内部电池位接触器闭合，正常供电电路断开，锂电池供电电路导通，并将状态信号发送给列车控制与管理系统tcms；

dc/dc变流器105：当收到供电模式开关102的“电池”位硬线信号+tcms传输的“转换开关到位”信号≥2个；或收到供电模式开关102的“电池”位硬线信号+“紧急运行按钮108”信号后，设备启动，启动逻辑如图2所示。变流器对锂电池进行升压，反方向输出牵引所需电压，再通过应急牵引母线给其他车的牵引逆变器供电；

牵引系统103：在收到供电模式开关102“电池”位信号与tcms的网络信号“锂电池牵引-预备”及“锂电池牵引信号”后进入锂电池紧急牵引模式，同时进行内部控制，切除电制动，进行限速控制，并实时监测设备状态，发生故障立即退出锂电池牵引模式；

列车控制与管理系统tcms；接收各子系统的状态和故障信号，将各信号整合判断整车是否符合进入锂电池牵引的条件，如符合发送相应指令给对应系统执行相应操作；

制动系统107：车辆制动完全采用空气制动，更改制动力计算方法，启动应急模式程序；

锂电池系统106：整车dc110v电源启动后，锂电池管理系统自检后闭合接触器，启动锂电池系统106，同时向dc/dc变流器105实时发送最大允许充放电电流，dc/dc变流器105根据电池状态，控制输出电压和电流，并实时将故障信号发送至dc/dc变流器105，当发生故障时各系统执行保护动作。

在一个实施方式中，该控制方法还包括：在恢复正常供电后，通过dc/dc变流器105控制充电电流和电压以为电池充电。

在一个实施方式中，制动系统107控制还包括：当制动系统107接收到“转向架强制缓解指令”之后启动应急牵引纯空气制动模式。

其中，当车辆进入锂电池应急牵引模式，不再使用电制动，而是完全使用空气制动，保证锂电池能量完全用于自牵引，可减小锂电池容量，同时简化控制逻辑。制动系统107接收到该模式信号后，更改制动力计算方式，进入应急牵引程序，开启纯空气制动模式。

图2示出的是本发明提供的dc/dc变流器105控制逻辑的示意图。

在一个实施方式中，dc/dc变流器105控制还包括：

当dc/dc变流器105接收到供电模式开关102的“电池位硬线信号”和tcms系统104的“转换开关到位信号”之后启动，对电池进行升压，反方向输出车辆牵引所需电压，再通过车辆牵引母线给其他车厢的牵引逆变器供电；

当dc/dc变流器105接收到“车辆生命中断信号”和“电池故障信号”时，退出运行dc/dc变流器105。

在一个实施方式中，dc/dc变流器105控制还包括：

当dc/dc变流器105接收到供电模式开关102的“电池位硬线信号”和紧急运行按钮108的“紧急运行按钮108信号”之后启动，对电池进行升压，反方向输出车辆牵引所需电压，再通过车辆牵引母线给其他车厢的牵引逆变器供电。

如图2所示，dc/dc变流器105启动条件为接收到如下两组信号：

供电模式开关102的“电池”位硬线信号+tcms传输的“转换开关到位”信号≥2个(转换开关反馈触点信号)；

供电模式开关102的“电池”位硬线信号+“紧急运行按钮108”信号。

dc/dc变流器105同时接收车辆生命信号和锂电池故障信号，如果发生故障，dc/dc变流器105将退出运行，其控制逻辑如图2所示。

图3示出的是本发明提供的牵引系统103电池牵引模式控制逻辑的示意图。

在一个实施方式中，牵引系统103控制还包括：

当牵引系统103接收到“电池位硬线信号”、“电池牵引-预备”以及“电池牵引信号”之后进入电池应急牵引模式；

当车辆进入电池应急牵引模式后牵引系统103开启限速控制；

通过牵引系统103实时监测电池和dc/dc变流器105的运行状态并在检测到故障信号后退出电池紧急牵引模式。

如图3所示，启动锂电池牵引车辆运行，各系统需配合实现，保持通信与联动，保证车辆安全。牵引系统103主要负责判断本节车牵引系统103是否符合进入锂电池牵引的条件，并执行锂电池牵引程序及相关保护动作，故障判断与处理等。

启动控制：

牵引系统103控制单元dcu接收到列车控制与管理系统tcms的网络信号“锂电池牵引-预备”及“锂电池牵引信号”及供电模式开关102的“电池”位硬线信号，启动锂电池牵引。

牵引系统103控制单元将接收供电模式开关102的“电池”位信号，牵引系统103控制单元内部“停放制动缓解状态”变为高电平信号。同时列车控制与管理系统tcms接收转换开关箱101的“转换开关电池位”信号后，对制动系统107发出转向架强制缓解指令，由于在应急牵引模式下完全采用空气制动，车辆不再使用电制动，所以牵引系统103在检测到“电池”位信号后，制动电阻退出工作，“制动电阻风扇电源断路器状态”变为高电平信号。

故障状态监测：

牵引系统103实时监测锂电池和dc/dc变流器105的运行状态，检测其是否输出的“牵引锂电池故障”信号和“dc/dc变流器105故障”信号，判断是否退出应急牵引模式，并作出保护动作，其应急牵引模式控制逻辑如图3所示。

限速控制：

在车辆网络通信正常的情况下，牵引逆变器在收到供电模式开关102“电池”位信号后，开启锂电池应急牵引模式，按照设置开启限速控制。在超载aw3工况下车辆限速5km/h运行，其他载荷情况下不低于5km/h。

在车辆网络通信故障的情况下，牵引逆变器通过硬线接收供电模式开关102“电池”位信号，并开启锂电池牵引模式，按照预设的默认模式开启限速控制，默认模式为超载aw3工况，车辆限速5km/h。

当进行移库操作时，通过接收“车场限速”信号+“电池”模式信号实现库内锂电池牵引并开启限速15km/h。

在一个实施方式中，电池系统控制还包括：

通过电池管理系统bms控制电池系统的开闭；

当电池系统开启后，通过dc/dc变流器105控制电池系统在放电过程中的输出电压和电流并且通过电池管理系统bms实时监测故障情况并检测到故障时输出“电池故障信号”。

其中，动力电池的控制由锂电池管理系统bms负责，锂电池管理系统bms实时进行电流、电压及温度监测，对锂电池的充电进行控制，也对其放电过程进行电流均衡控制和温度均衡控制，内部集成实时时钟模块和存储模块，记录电池管理系统工作过程中检测到的电池数据及发生时间，以便进行系统诊断及性能优化。

启动控制：锂电池管理系统bms通过司机室钥匙激活，通过互锁电路控制锂电池预充接触器和总正接触器闭合与断开，完成锂电池系统106上电，并对其进行安全保护。

通信控制：锂电池管理系统bms向dc/dc变流器105发送充电请求、充电电流、放电电流、均衡状态信息等信号，dc/dc变流器105在收到这些指令后，根据牵引逆变器要求和电池状态，控制输出电压和电流，其控制信号通过can总线通信传输。

退出控制：当应急牵引结束，dc/dc变流器105接收到供电模式开关102“正常”位信号后，向锂电池管理系统bms发送断接触器命令，bms控制切断总正、总负接触器。

充电控制：当恢复正常供电后，由dc/dc变流器105控制充电电压和电流，为锂电池充电，电池充满后dc/dc停止电池侧的输出，锂电池处于待机模式，电池管理系统在整车110v控制电正常的情况下保持运行，监测电池状态。

基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种城轨车辆电池应急牵引控制系统的实施例。

一种城轨车辆电池应急牵引控制系统，包括：

供电模式开关102，该供电模式开关102连接牵引系统103和转换开关箱101；

tcms系统104，该tcms系统104连接转换开关箱101、制动系统107和牵引系统103；

dc/dc变流器105，该dc/dc变流器105连接供电模式开关102、tcms系统104；

电池系统，该电池系统连接牵引系统103和dc/dc变流器105；以及

控制断路器；

其中，控制断路器布置在车辆电气控制箱中以控制上述部件。

如图1所示，该控制逻辑既要保证供电方式之间的安全转换，又要保证车辆的安全运行，所以需要通过硬线信号控制与网络信号控制相结合的方式，全面考虑各种情况的转换条件，实现安全控制。该控制网络结构如图1所示，各部件互相通信，协同工作。

列车控制与管理系统tcms接收转换开关箱101的“转换开关正常位”和“转换开关电池位”信号。其与dc/dc变流器105通过mvb通信总线连接，实现设备通信，发送“转换开关到位信号”，同时dc/dc变流器105与锂电池管理系统之间通过can总线通信，实现部分信号的网络传输与管理。列车控制与管理系统tcms将收到的信号整合判断整车是否符合进入锂电池牵引的条件。如果满足条件，则输出“蓄电池牵引-预备”及“蓄电池牵引信号”给牵引系统103。

在一个实施方式中，该控制系统还包括：紧急运行按钮108，该紧急运行按钮108连接dc/dc变流器105。

在一个实施方式中，转换开关箱101包括正常运行接触器、电池运行接触器以及用于控制lxm3正常运行接触器和电池运行接触器的中间继电器。

其中，转换开关箱101是车辆牵引系统103电路的前级构成部分，实现牵引系统103的供电模式转换功能。转换开关箱101由正常运行接触器、电池运行接触器、中间继电器等器件组成，通过互锁原理实现供电模式转换和保护。正常运行接触器是用于接触网供电的接通与隔离功能；电池运行接触器用于牵引电池供电的接通与隔离功能；中间继电器用于控制正常运行接触器和电池运行接触器。

两种供电方式转换开关控制策略如下：

转换开关切换到“正常”位条件为：列车静止，将供电模式开关102旋至“正常”位，并将状态信号反馈至车辆控制与管理系统tcms作管理、记录和显示；

转换开关切换到“电池”位条件为：列车静止，将供电模式开关102旋至“电池”位，并将状态信号反馈至车辆控制与管理系统tcms作管理、记录和显示。

从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的一种城轨车辆电池应急牵引控制方法及其控制系统，

(1)解决了段内移库、交叉路口和复杂坡道等特殊工况的牵引难题,实现了整车各系统的统筹管理，同时又实现各子系统的分级独立控制，实时通信并联动，实时监测故障状态，实现供电方式的合理转换，保证车辆在应急牵引模式下安全可靠运行。

(2)通过硬线信号控制和网络信号控制相结合的控制逻辑实现各系统通信并联动，保证供电方式之间的安全转换以及车辆的安全运行。

需要特别指出的是，上述城轨车辆电池应急牵引控制方法的各个实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于城轨车辆电池应急牵引控制方法也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。