摘要：本文从系统和车辆两个层面上，针对车载双电层超级电容储能电源和电池电容储能电源，分别介绍了安全联锁的原理及方法。系统层面，通过全面分析储能电源在安装、调试和检修时，所涉及到的所有设备如：地面充放电装置、充放电轨、登顶平台和车辆，以及这些设备操作过程中所带来的安全风险，针对可能存在的安全风险，增加相应的机械或电气联锁，从大系统层面确保所有操作流程的安全，提升了操作人员和设备的安全性能。车辆层面，通过在储能电源与车辆主电路之间增加隔离器件，在车辆主电气回路上增加接地开关，同时对器件进行机械或电气联锁，提高了车辆高压电气元件检修时的安全性能，同时实现了对储能式车辆的带电安全检修，避免了车辆检修时的非必要耗能。

关键词：储能电源；系统；车辆；安全联锁

0 引言

储能电源具有高电压和快速充放电的特点，自2014 年首次将装备储能电源的储能式现代有轨电车商业应用于广州海珠项目，储能式车辆在国内乃至世界轨道交通装备领域内掀起了一场“绿色革命”，其绿色环保、高效节能、低线路投资成本和美化城市景观等优点受到广大用户和乘客的青睐，现已广泛应用于淮安、武汉、深圳等多个城市[1-2]。但是，由于储能电源高电压的特点，车辆即使在库内，车上也存在高压，给维护人员带来安全隐患。一方面，对于电池电容不能放电至0V 的储能电源，其检修过程需要带电操作，存在触电风险；另一方面，对于双电层超级电容储能电源，其检修时虽然能放电至0V，但是整个放电短接、登顶、安装和检修的操作流程缺少相应的机械或电气联锁，存在人为误操作或违规操作带来的安全风险，同时由于放电耗时冗长且操作和管理流程复杂，也造成了能量的非必要浪费[3-5]。

本文从系统和车辆层面，分别针对双电层超级电容储能电 储能电源介绍了两套安全联锁原理及方法，前者从整个大系统层面对包含地 电装置 充放 辆的所有设备进行机械或电气联锁，后者主要从车辆自身角度进行机械或电气联锁， 源放电、短接、登顶车辆和检修设备过程中人员和设备的安全。

1 系统安全联锁原理及方法

1.1 双电层超级电容储能电源

针对双电层超级电容储能电源，从包含地面充电装置、登顶平台、充放电轨和车辆的大系统层面进行安全联锁设计，其具体电气原理如下图所示。

主要进行如下几个方面的联锁：

（1）充电柜与放电柜之间的联锁

通过将放电柜放电接触器KM2 常闭辅助触点 KM2_NC 串联至充电柜充电接触器KM1 控制回路，同时将充电柜充电接触器KM1 常闭辅助触点 电柜放电接触器KM2 控制回路，从而实现当充电接触器KM1 闭合的情况下无法操作放电接触 载储能电源放电，反之当放电接触器KM2 闭合时无法操作充电接触器KM1 给储能电源充电，从而提升放电过程中和放电完成后操作人员的安全。

（2）车载储能电源远程短接与登顶门 1（登顶平台入口门）之间的联锁

当放电柜显示屏显示储能电源放电操作完成 （储能电源电压≤2V）后，通过储能电源远程短接开关QS1 短接储能电源，查看显示屏储能电源 2 状态是否正常（熔断器自带微动开关FU2_NO 将熔断器状态信号发送至显示屏），储能电 正常，则表示远程短接操作完成，QS1 自带钥匙KEY1（只有当QS1 闭合才能拔出钥匙），KEY1 与登顶平台入口门门锁之间联锁。

（3）车载储能电源第二次短接与充放电轨接地之间的联锁

登顶平台门2 设置储能电源二次短接开关 QS2，QS2 常开辅助触点串联至充放电轨控制箱控制接触器 KM3控制回路，实现与充放电轨调节之间的联锁。

（4）充放电轨接地与打开登顶门2 之间的联锁

充放电轨调节至“接地位”后，行程开关QS3 闭合，此时串联至登顶门2 电子锁 EKEY 控制回路的QS3 常开辅助触点QS3_NO 闭合，EKEY 控制回路导通电子锁解锁，此时操作人员可打开登顶门2 登顶车辆开始后续检修工作。

1.2 电池电容超级电容储能电源

针对电池电容储能电源，从包含地面充电装置、登顶平台、充放电轨和车辆的大系统层面进行安全联锁设计，其具体电气原理如下图所示。

主要进行了如下几个方面的联锁：

车辆段库内调度室设置作业权限钥匙KEY1，地面充电柜的输出端与充放电轨相连，充放电轨控制柜控制充放电轨于充放电位于接地位之间移动。充放电轨控制轨控制开关自带钥匙，钥匙与KEY1 联锁，同时充放电轨自带电压检测功能，并能通过登顶门上的显示屏进行电压显示。

（2）登顶门与车辆检修钥匙、充放电轨接地之间的联锁

登顶入口门上设置了电子锁和机械锁，电子锁EKEY与充放电轨位置检修电气联锁，机械锁与车辆检修钥匙KEY2 机械联锁。当充放电轨回收至接地位时，EKEY解锁。当车辆检修钥匙KEY2 切换至检修位时，断开车辆所有电源，并只能在此位置将钥匙拔出。通过钥匙KEY2 打开登顶门机械锁，且在EKEY解锁后才能登上登顶平台，进入车辆车顶进行后续相关操作。

（3）主回路接地与开门检修之间的联锁

每组储能电源内部正负极单独配置一个接触器（KM1），所有储能电源正负极均连接至高压电器箱，高压电器箱内设置一个三位置隔离开关QS1 和两个高压指示灯（HL1、HL2），高压指示灯在储能电源并联母排带电时灯亮。隔离开关及进行绝缘防护，只能接触到其操作手柄。通过将隔离开关切换至接地位后，将储能电源与其他高压设备进行切断及隔离，同时将高压设备端的高压回路进行接地。在隔离开关QS1 上设置联锁钥匙KEY3，只有当隔离开关切换至接地位置时，才能拔出钥匙。取出钥匙KEY3 后，插入钥匙箱解锁钥匙KEY4，通过钥匙KEY4 打开高压设备箱的箱门。

2 车辆安全联锁原理及方法

2.1 双电层超级电容储能电源

针对双电层超级电容储能电源，从车辆自身层面进行安全联锁设计，具体电气原理如下图所示。

储能式车辆安全联锁主要由储能电源、储能电源高压控制箱、高压电气箱、司机台和安全联锁钥匙箱几部分组成。所有储能电源与高压电气箱之间通过储能电源高压控制箱连接，司机控制器钥匙KEY1 为储能电源高压控制箱柜门钥匙，其内部器件主要包括1 个6 极手动隔离开关、3 个双极直流接触器和1 个3 极手动接地开关（自带钥匙 KEY2）；钥匙 KEY2 与所有高压电气元件（含储能电源）柜门钥匙 KEY3 通过安全联锁钥匙箱联锁，具体可实现如下几个方面联锁功能：

（1）“车辆断激活”+“登顶检修”；“完成检修”+“激活车辆上电”的联锁

通过储能电源高压控制箱柜门锁芯，与司机控制器钥匙KEY1 配对使用，实现车辆断激活、所有接触器断开与登顶车辆开门检修之间的联锁，以及所有检修工作完成后，关闭储能电源高压控制箱柜门与下车顶激活车辆之间的联锁。

（2）“储能电源高压控制箱柜门打开”+“隔离开关断开”；“隔离开关闭合”+“储能电源高压控制箱柜门关闭”之间的联锁

储能电源高压控制箱柜门上自带隔离开关限位柱，当6 极隔离开关处于“断开”位时，隔离开关限位柱与开关操作手柄干涉，不能完全关闭门盖板，只有当开关处于“闭合”位时才能关闭门盖板。

（3） “隔离开关断开”+“接地开关闭合”；“接地开关断开”+“隔离开关闭合”的联锁

6 极隔离开关操作手柄位置与操作面板之间的干涉实现二者的机械联锁，只有当所有电动隔离开关均处于“断开”位，才能打开和关闭操作面板。操作面板打开后，安装于绝缘挡板上的弹簧立柱弹出，弹簧立柱与6 极隔离开关操作手柄闭合的操作路径形成干涉，开关操作被锁闭，无法操作。同时，操作面板完成打开后，才能操作 3极接地开关闭合，检修钥匙KEY2 可以从开关拔出，钥匙拔出后开关锁闭不能动作，此时安装于操作面板上的手柄定位柱与接地开关操作手柄干涉，操作面板无法关闭。

（4）“检修全部完成”+“退出检修”的联锁

钥匙箱有5 把锁，包括 1 把检修钥匙KEY2 和 4 把柜门钥匙 KEY3（包括高压箱、牵引箱和储能电源等高压电气屏柜门钥匙），4 把KEY3 保持接口完全一致。当KEY2 插入钥匙箱并旋钮至“锁闭”位，所有 KEY3 自动旋转至“取出”位；同时只有当所有KEY3 都插入钥匙箱才能一同旋钮所有KEY3 至“锁闭”位，KEY2 自动旋转至“取出”位，此时KEY2 方可取出。安全钥匙箱结构示意图如下图所示。

门钥匙与柜门锁芯之间通过连杆结构进行机械联锁，当钥匙处于“OFF”位，门板打开时不能拔出钥匙，只有当门板完全闭合，钥匙恢复到“ON”位才能拔出钥匙。

2.2 电池电容储能电源

针对双电层超级电容储能电源，从车辆自身层面进行安全联锁设计，具体电气原理如下图所示。

储能电源车辆安全联锁基本电气原理见下图，每组储能电源内部正负极单独增加1 个接触器（KM1），在柜外单独加一个手动隔离开关箱包含一个双极隔离开关（QS1），隔离开关箱包含1 把安全联锁钥匙KEY2，3 把安全联锁钥匙KEY2 和1 把司机控制器钥匙KEY1 与所有门钥匙KEY3 之间通过钥匙箱联锁。

主要实现了如下几个方面联锁：

（1）“储能电源电动隔离”+“开门检修”

只有当车辆断激活，所有储能电源接触器 KM1 均处于断开状态，才能拔出司控器钥匙 KEY1 插入联锁钥匙箱，取出门钥匙KEY3 打开各高压电器柜柜门开始检修操作。

（2）“储能电源物理隔离”+“开门检修”的联锁

只有当所有储能电源隔离开关 QS1 全部处于“断开”位才能去取所有钥匙KEY2，并将所有KEY2 插入安全联锁钥匙箱，最终取出门钥匙 KEY3 打开各高压电器柜柜门开始检修操作。

3 总结

储能电源安全联锁通过机械和电气联锁，提升了车载储能电源安装、检修和维护时人员和设备的安全，极大地降低了因误操作或违规操作导致的安全风险问题。对于今后车载储能电源安全防护研究和应用具有一定的参考意义。

参考文献：

[1] 邹洁璇，崔洪岩，丁伟民. 一种蓄电池电力工程车高压安全联锁策略[J].电力机车与城轨车辆，2019（02）.

[2] 郑玄. 地铁车辆与车间电源安全联锁方案设计分析[J]. 现代城市轨道交通，2018（05）.

[3] 石磊， 喻贵忠， 王民. 基于力控监控组态软件的动车段安全联锁系统[J]. 电子技术应用，2011（06）.

[4] 李瑜. 安全联锁系统在城轨车辆生产线上的实际应用[J]. 内燃机与配件，2020（19）.

[5] 李瑜， 王宽， 谷涛. 多制式牵引供电在轨道交通车辆生产的应用[J]. 轨道机车与动车，2018（04）.