Khi một đoàn tàu khách mất nguồn chính——một đoạn không điện, một bộ biến đổi phụ bị ngắt, hoặc một đường dây mất điện——hành khách chỉ có vài giây trước khi bóng tối và việc bị kẹt trở nên nguy hiểm. Chiếu sáng toa không được tắt, cửa tàu phải giữ trạng thái chọn được và mở được, loa phát thanh và liên lạc nội bộ phải truyền được chỉ dẫn, và trong đường hầm thông gió khẩn cấp phải tiếp tục chạy. Điều thực hiện nghĩa vụ này là một kiến trúc pin hiếm khi được nhìn thấy: bộ pin lớn trên thanh cái DC, cùng các bộ pin nhỏ, phân tán, ít bảo trì bên trong đèn, bộ điều khiển cửa, bộ khuếch đại và bộ điều khiển thông gió. Đây là Paper A của loạt tàu đường sắt; giống như Paper A của các nhóm sản phẩm khác, bài này thiết lập cách các pin khẩn cấp này vận hành và tải của chúng trước khi Paper B nói về lựa chọn và Paper C về thử nghiệm. Bài cố ý không đề cập pin kéo, mà là nguồn khẩn cấp của toa tàu; trọng tâm là các bộ pin NiMH kín, phân tán cho mô-đun, với điện áp, thời gian, nhiệt độ và tiêu chuẩn trích từ EN 50155, EN 13272, UIC 555 và các tài liệu liên quan.
Điểm chính 1. Toa tàu hiện đại có hai mức dự phòng song song. Pin trên tàu là bộ pin lớn trên thanh cái DC (theo chuỗi IEC 62973, truyền thống là NiCd hoặc axit-chì), được sạc khi giàn tiếp điện nâng lên và cấp cho thanh cái sau khi mất nguồn chính. Các bộ pin khẩn cấp phân tán——bộ NiMH kín nhỏ trong đèn, bộ điều khiển cửa, bộ khuếch đại——tạo thành tuyến phòng thủ độc lập thứ hai, bao phủ các chuyển mạch và hỏng hóc cục bộ mà không cần pin trung tâm cấp riêng cho từng cửa, từng đèn.
Điểm chính 2. Khung điện cho thiết bị điện tử là EN 50155:2017 (bản hợp nhất 2021): điện áp DC danh định 24/28/36/48/72/96/110 V (khuyến nghị 24/72/110), làm việc liên tục Vn+25% đến Vn−30% (với 110 V là khoảng 66–154 V), sụt áp khi chuyển mạch 40% trong tối đa 100 ms, ngắt ngắn S1/S2 (mặc định 10 ms) hoặc S3 (20 ms). Với mô-đun chiếu sáng khẩn cấp trên thanh cái 110 V, điều này có nghĩa là: không khởi động lại khi chuyển mạch, không có khoảng tối nhìn thấy được, bộ điều khiển không mất trạng thái.
Điểm chính 3. Chiếu sáng khẩn cấp là một nhiệm vụ theo thời gian quy định, không phải dự phòng vài phút. Danh mục UIC 555 (chương 5) và EN 13272 cho đường sắt nặng/đô thị yêu cầu chiếu sáng chung tối thiểu 90 phút (lối đi không dưới 50% độ rọi bình thường, khu vực ghế không dưới 30%). Trên tàu cao tốc và đường dài, thường có khoảng 10 phút chiếu sáng tối thiểu trước giai đoạn khẩn cấp đầy đủ; TSI LOC & PAS (Quy định (EU) số 1302/2014) neo nghĩa vụ này ở cấp châu Âu.
Điểm chính 4. Môi trường khắc nghiệt hơn nhiều so với đèn khẩn cấp trong nhà. EN 50155 định nghĩa sáu cấp nhiệt độ OT1–OT6 (từ −25/+55 ℃ đến −40/+85 ℃); EN 61373 bao gồm rung và va đập theo vị trí (thân xe, giá chuyển hướng, hộp trục); EN 50121-3-2 (dựa trên EN 61000-4-4/4-5/4-6) quy định EMC với xung nhanh điện và sét lên đến ±2 kV; EN 45545 yêu cầu phản ứng cháy của vật liệu và hạn chế khói, giọt cháy.
Điểm chính 5. Các tế bào NiMH kín hỗ trợ mô-đun khẩn cấp phân tán được công nhận theo IEC 61951-2:2017+A1:2022 (hiệu năng), IEC 62133-1 (an toàn hệ nickel——là phần -1, không phải -2 của lithium), IEC 63115-2:2021 (NiMH công nghiệp) và IEC 61959. Vận chuyển theo UN 3496 với quy định đặc biệt IATA A199, không cần tóm tắt thử nghiệm UN 38.3 và không thuộc UN 3480/3481. Pin lớn trên tàu theo chuỗi IEC 62973 (NiCd phần 2, axit-chì phần 3); bộ NiMH được định vị có chủ đích là mô-đun khẩn cấp phân tán.
Pin khẩn cấp được lựa chọn theo một danh sách chức năng, không phải cho một bóng đèn đơn lẻ. Người viết đặc tả đường sắt định nghĩa những gì phải tiếp tục sau khi mất nguồn chính, và mô-đun phải cấp cho mỗi tải với dạng dòng và thời gian đúng. Một số tải gần như không đổi, một số là xung ngắn và lớn, và một số chạy theo chu kỳ để kéo dài năng lượng khả dụng.
Không phải mọi tải đều liên tục. Chiếu sáng khẩn cấp và điện tử điều khiển được cấp trong toàn bộ thời gian tự chủ, nhưng việc mở cửa và phát thanh chỉ lấy dòng khi hành khách hoặc tiếp viên kích hoạt, và thông gió khẩn cấp thường chạy theo chu kỳ để kiểm soát nhiệt độ trong thời gian quy định. Khi lựa chọn, dòng của mỗi tải phải được trọng số theo thời gian hoạt động thực, không chỉ theo dòng đỉnh.
| Tải khẩn cấp | Bản chất tải | Vì sao phải duy trì |
|---|---|---|
| Chiếu sáng khẩn cấp ở lối đi, vùng cửa, sân chuyển | Nguồn không đổi giảm cho LED, trong suốt thời gian tự chủ (tối thiểu 90 phút) | Soi đường thoát hiểm và bậc thang; do UIC 555 / EN 13272 định nghĩa |
| Điều khiển và mở cửa | Dòng chờ nhỏ cộng xung mở/nhả ngắn cho mỗi cửa | Cho tiếp viên chọn và mở đúng bên; cửa không được kẹp hành khách |
| Phát thanh công cộng và liên lạc nội bộ hành khách | Dòng chờ của bộ khuếch đại cộng đỉnh dòng âm thanh ngắn | Giữ chỉ huy và liên lạc hai chiều trong khi sơ tán |
| Đèn bên, đèn tín hiệu và đèn báo | Ánh sáng thấp ổn định trong thời gian quy định | Giữ đoàn tàu dừng hiển thị và được đánh dấu cho nhân viên đường dây và cứu hộ |
| Thông gió khẩn cấp và điện tử điều khiển | Tải quay nặng hơn, thường theo chu kỳ; thanh cái điều khiển thì ổn định | Ngăn quá nhiệt và mất điều khiển trong đường hầm; thông gió tàu theo TB/T 3582 |
Sẽ hữu ích nếu lần theo đường đi của năng lượng. Khi chạy bình thường, tàu nhận năng lượng kéo từ giàn tiếp điện hoặc ray thứ ba, và bộ biến đổi phụ tạo AC và DC phụ trợ cho điều hòa, thông gió, chiếu sáng và điện áp điều khiển. Pin trên tàu được nối với bộ sạc trên thanh cái DC và được sạc khi giàn tiếp điện nâng lên; khi nguồn chính biến mất, một contactor hoặc công tắc tĩnh ngắt thanh cái khỏi bộ biến đổi và pin trên tàu tiếp quản thanh cái, duy trì các tải khẩn cấp trung tâm. Pin này lớn, cần bảo trì, truyền thống là NiCd hoặc axit-chì, và được mô tả trong chuỗi IEC 62973. Đây không phải là thành phần NiMH mà nhà sản xuất pin đặt bên trong đèn.
Các bộ pin khẩn cấp phân tán là tuyến phòng thủ độc lập thứ hai. Bộ NiMH kín trong đèn hoặc thiết bị cửa tiếp tục hoạt động ngay cả khi nguồn cấp trung tâm của toa bị xáo trộn, một bộ dây bị hỏng, hoặc mô-đun cần cung cấp tính liên tục ngắn sau chuyển mạch. Một bộ sạc nhỏ trên cùng thanh cái DC giữ nó ở trạng thái được sạc, dùng sạc nổi có kiểm soát để giữ tế bào trong đúng cửa sổ, chỉ phóng khi khẩn cấp hoặc thử nghiệm định kỳ. Đây chính là thành phần NiMH mà Weijiang Power lựa chọn: bộ pin nhỏ, kín, chống rung với điện áp danh định như 3,6 / 4,8 / 6,0 / 7,2 / 9,6 V, được phối hợp với đèn hoặc bộ điều khiển qua bộ chuyển đổi.
EN 50155 là tiêu chuẩn ngang mà theo đó mọi thiết bị điện tử trên tàu được thiết kế. Nó không chỉ đặt điện áp danh định mà còn các trạng thái cấp liên tục, quá độ và ngắn hạn mà thiết bị phải chịu mà không mất chức năng. Một bộ sạc hoặc mô-đun khẩn cấp trên thanh cái 110 V phải chịu dải liên tục khoảng 66 V đến 154 V, độ lệch quá độ ±40% trong 0,1 s và quá áp kéo dài +40% trong 1,0 s, và không để gợn sóng lưới lên đến 5% gây vi chu kỳ tế bào hoặc sạc nổi không ổn định.
Hai sự kiện trong tiêu chuẩn quyết định vài giây đầu tiên của pin. Chuyển mạch giữa hai nguồn——ví dụ từ bộ biến đổi sang pin——tạo ra sụt áp tối đa 100 ms xuống 60% điện áp danh định; mô-đun phải bù khoảng trống này hoặc tiếp quản liền mạch, không để đèn khởi động lại và không tạo khoảng tối nhìn thấy được. Các cấp biến động/ngắt S1, S2 (mặc định 10 ms) và S3 (20 ms) mô tả các lần mất điện hoàn toàn ngắn mà thiết bị phải vượt qua bằng tích trữ nội bộ hoặc cầu nối pin. Một bộ điều khiển mất trạng thái sau 20 ms, hoặc khiến cửa khởi tạo lại, không đạt yêu cầu.
Hình 1. Đường cong điện áp thanh cái toa minh họa: chạy bình thường, sụt áp khi chuyển mạch, ngắt ngắn, sau đó cấp khẩn cấp bằng pin. Đường cong mang tính định tính; ngưỡng và thời gian theo EN 50155, không theo biểu đồ này.
| Trạng thái cấp (EN 50155) | Giới hạn | Yêu cầu đối với bộ pin khẩn cấp |
|---|---|---|
| Dải liên tục | Vn +25% / −30% (110 V: ví dụ 66–154 V) | Bộ sạc và mô-đun giữ trong cửa sổ sạc trên toàn dải thanh cái |
| Quá độ / quá áp kéo dài | ±40% trong 0,1 s; +40% trong 1,0 s | Không ứng suất quá sạc, không ngắt bảo vệ; sạc nổi phải vững chắc |
| Chuyển mạch (commutation) | Sụt 40%, tối đa 100 ms | Cầu nối bằng tụ giữ hoặc pin, không khởi động lại, không tối nhìn thấy |
| Ngắt S2 (mặc định) / S3 | Vượt qua mất điện hoàn toàn 10 ms / 20 ms | Tiếp quản liền mạch; bộ điều khiển không mất bộ nhớ và trạng thái |
| Gợn sóng liên tục | Hệ số gợn 5%, liên tục | Sạc nổi ổn định; không có vi chu kỳ tế bào do gợn gây ra |
Yêu cầu chiếu sáng khẩn cấp là trọng tâm của đặc tả pin toa. UIC 555 và họ EN 13272 đặt độ rọi và thời gian: lối đi không dưới 50% chiếu sáng bình thường, khu vực ghế không dưới 30%, và dịch vụ khẩn cấp ít nhất 90 phút. Tùy cấp và khu vực, độ rọi điển hình khoảng 100 lux ở lối đi, 150 ở hạng hai, 200 ở hạng nhất, kèm yêu cầu độ đồng đều, hoàn màu (CRI ≥ 80) và hệ số duy trì (khoảng 0,85 cho LED). Khi điện áp cấp bình thường giảm xuống dưới khoảng 0,6×Vn trong hơn khoảng nửa giây, thường yêu cầu chuyển sang khẩn cấp mà không có khoảng tối nhìn thấy được.
Tại thị trường tàu cao tốc và liên tỉnh của Trung Quốc, cùng chức năng được neo trong TB/T 3414 về chiếu sáng khẩn cấp tàu động lực, TB/T 3582-2023 về thông gió khẩn cấp tàu động lực, với tiêu chuẩn điện cơ sở GB/T 21413.1-2018 (tương ứng EN 50155) và quy tắc đi dây GB/T 34571-2024; đặc tả tàu động lực liên tỉnh GTG/JL 002-2026 tham chiếu các tài liệu này. Đối với người thiết kế pin, kết luận ở mọi khu vực là như nhau: thời gian tự chủ xác định, tỷ lệ độ rọi danh định cố định, điểm chuyển mạch liền mạch, và dự phòng dung lượng có thể chứng minh theo nhiệt độ và lão hóa.
Bộ pin khẩn cấp đối mặt dải nhiệt độ rộng vì nó nằm ngay nơi có tải——đèn phía trên lối đi, tủ trên trần, hoặc sau tấm nội thất. EN 50155 định nghĩa OT1 (−25/+55 ℃) và OT2 (−40/+55 ℃) cho khu vực hành khách và buồng lái, OT3 (−25/+70 ℃, mặc định) và OT4 (−40/+70 ℃) cho tủ kỹ thuật, cùng OT5 (−25/+85 ℃) và OT6 (−40/+85 ℃); thiết bị cũng phải hoạt động sau lưu trữ ngắn ở −40 ℃ hoặc +85 ℃. Tế bào NiMH kín trong bộ pin được thiết kế tốt, có bù nhiệt khi sạc, chịu được các dải này; cấp tuổi thọ L1 (5 năm) đến L4 (20 năm, mặc định) định nghĩa tuổi thọ dự kiến của thiết bị và hướng dẫn lựa chọn tế bào và sạc nổi.
Độ bền cơ khí theo EN 61373, phân loại thiết bị theo vị trí: Category 1 Class B (thân xe), Category 2 (giá chuyển hướng), Category 3 (hộp trục, môi trường khắc nghiệt nhất). EMC theo EN 50121-3-2: burst nhanh điện ±2 kV (5/50 ns, 5 kHz) theo EN 61000-4-4, sét dây-đất ±2 kV và dây-dây ±1 kV (1,2/50 µs) theo EN 61000-4-5, miễn nhiễm RF dẫn truyền đến 80 MHz theo EN 61000-4-6. Chống cháy theo EN 45545 (-2, -4, -6), hạn chế khói, giọt cháy và tỏa nhiệt; vỏ và ống co nhiệt của bộ pin khẩn cấp phải được làm ở cấp nguy hiểm được yêu cầu.
Bộ pin khẩn cấp phân tán là một nhiệm vụ khắt khe nhưng có phạm vi rõ ràng: sạc nổi kéo dài, phóng điện sâu không thường xuyên, xung dòng cao tức thì khi chuyển mạch, và nhiều năm theo nhịp tuổi thọ của thiết bị. Tế bào NiMH kín phù hợp tốt: chúng chịu được sạc nổi liên tục với bù điện áp và nhiệt độ tốt, chịu được phóng dòng cao ngắn, không chứa chì và cadmium, và được hàn kín không có điện解 lỏng. Chúng hoạt động trên dải nhiệt độ rộng và không cần giấy tờ vận chuyển lithium. Phương án thay thế——cấp mọi mô-đun từ pin NiCd hoặc axit-chì trung tâm——dễ tổn thương chính ở nơi bộ dây hoặc một toa riêng lẻ làm tổn hại tính khả dụng; tế bào NiMH phân tán vẫn giữ chức năng cục bộ.
Hình 2. Trình tự sự kiện từ mất nguồn chính đến tự chủ khẩn cấp (minh họa): mất nguồn, sụt áp, chuyển mạch, pin tiếp quản, tải khẩn cấp, 90 phút tự chủ.
Nền tảng công nhận tế bào rõ ràng. Tế bào NiMH di động kín được xác minh hiệu năng theo IEC 61951-2:2017 và sửa đổi A1:2022, an toàn theo IEC 62133-1 (-1 là hệ nickel; IEC 62133-2 là lithium). Tế bào công nghiệp dùng IEC 63115-2:2021 và IEC 61959 cho hoạt động cơ khí. Về vận chuyển, NiMH kín thuộc UN 3496; quy định đặc biệt IATA A199 xác nhận nó không phải pin lithium, vì vậy nó vận chuyển mà không cần tóm tắt UN 38.3 và không dùng nhãn UN 3480/3481. Pin lớn trên tàu được xử lý riêng theo IEC 62973-2 (NiCd) hoặc IEC 62973-3 (axit-chì); một thông số kỹ thuật trung thực không bao giờ đánh đồng pin kéo/trên tàu trung tâm với bộ khẩn cấp NiMH phân tán.
Các tải khẩn cấp được định nghĩa gồm chiếu sáng khẩn cấp ở lối đi, vùng cửa và sân chuyển; điều khiển và mở cửa; phát thanh công cộng và liên lạc nội bộ; đèn bên và đèn tín hiệu; thông gió khẩn cấp và điện tử điều khiển. Chúng được cấp bởi pin trên tàu trên thanh cái DC và các bộ NiMH kín phân tán trong đèn, cửa và mô-đun âm thanh, với thời gian tự chủ và chuyển mạch theo EN 50155, EN 13272 và UIC 555.
UIC 555 và TSI LOC & PAS / EN 13272 áp dụng tối thiểu 90 phút dịch vụ khẩn cấp, với 50% ở lối đi và 30% ở khu vực ghế của chiếu sáng bình thường; tàu cao tốc và đường dài thường có khoảng 10 phút chiếu sáng chung tối thiểu trước giai đoạn khẩn cấp đầy đủ. Tại Trung Quốc, TB/T 3414 và TB/T 3582-2023 neo các chức năng chiếu sáng và thông gió khẩn cấp. Thời gian chính xác luôn theo thiết kế và phiên bản tiêu chuẩn được trích dẫn.
Pin trên tàu là bộ pin DC lớn trên thanh cái pin tàu (truyền thống là NiCd hoặc axit-chì, theo IEC 62973-2 hoặc -3), tiếp quản toàn bộ thanh cái sau khi nguồn chính ngắt; bộ NiMH là mô-đun nhỏ, kín, phân tán trong đèn, bộ điều khiển cửa hoặc bộ khuếch đại, bao phủ chuyển mạch cục bộ và giữ chức năng cục bộ một cách độc lập. Chúng bổ sung cho nhau: bộ NiMH không thay thế pin lớn cần bảo trì, và hai loại được công nhận và mô tả theo các tiêu chuẩn khác nhau.
Thiết bị EN 50155 phải hoạt động liên tục từ −30% đến +25% điện áp danh định (khoảng 66–154 V trên thanh cái 110 V), chịu độ lệch quá độ ±40% trong 0,1 s và quá áp +40% trong 1 s, sụt áp chuyển mạch 40% tối đa 100 ms, ngắt 10 ms (S2) hoặc 20 ms (S3), và gợn sóng 5%. Chiếu sáng và điều khiển khẩn cấp không được khởi động lại hoặc mất trạng thái trong các sự kiện này.
Va đập và rung theo EN 61373 theo vị trí (thân xe, giá chuyển hướng hoặc hộp trục; hầu hết đèn và tủ là Class B/Category 1), EMC theo EN 50121-3-2 với burst ±2 kV theo EN 61000-4-4, sét ±2 kV/±1 kV theo EN 61000-4-5 và RF dẫn truyền theo EN 61000-4-6, và chống cháy theo EN 45545 (phần -2, -4, -6). Điều kiện điện nằm trong EN 50155; chức năng chiếu sáng trong EN 13272 và UIC 555.
Không. UN 38.3 và UN 3480/3481 thuộc về pin lithium. NiMH kín thuộc UN 3496, và quy định đặc biệt IATA A199 xác nhận nó không chịu hạn chế hàng lithium, với điều kiện các cực được bảo vệ trong bao bì. Pin NiCd hoặc axit-chì trung tâm theo chuỗi IEC 62973 và quy tắc vận chuyển riêng của chúng.
Khung đường sắt và điều kiện điện: EN 50155:2017 (Ứng dụng đường sắt—thiết bị điện tử trên toa, bản hợp nhất 2021), EN 13272-1:2019 / -2:2019 (Chiếu sáng điện trên phương tiện giao thông công cộng), UIC 555 (đặc biệt chương 5, chiếu sáng toa khách), TSI LOC & PAS, Quy định (EU) số 1302/2014, EN 61373 (rung và va đập), EN 50121-3-2 cùng EN 61000-4-4, EN 61000-4-5, EN 61000-4-6 (EMC), EN 45545-2/-4/-6 (chống cháy), và GB/T 21413.1-2018, TB/T 3414, TB/T 3582-2023, GB/T 34571-2024 của Trung Quốc. Đường cong điện áp, bảng tải và trình tự trong bài là minh họa kỹ thuật được đánh dấu illustrative; giá trị ràng buộc thuộc đặc tả thiết bị và phiên bản tiêu chuẩn được trích dẫn.
Tài liệu pin và vận chuyển: chuỗi IEC 62973 cho pin phụ trên tàu (NiCd phần 2, axit-chì phần 3:2024), IEC 61951-2:2017+A1:2022, IEC 62133-1, IEC 63115-2:2021, IEC 61959 cho NiMH kín; Khuyến nghị của Liên Hợp Quốc về vận chuyển hàng nguy hiểm, Quy phạm mẫu, UN 3496, và quy định đặc biệt IATA A199 cho NiMH. Các giá trị thời gian tự chủ, điện áp và nhiệt độ trong bảng dựa trên văn bản công bố của EN 50155/UIC 555/EN 13272; chứng nhận cụ thể của thiết bị được ưu tiên hơn các giá trị chung này.
Weijiang Power cung cấp bộ pin NiMH kín cho các mô-đun khẩn cấp OEM của toa tàu——đèn, bộ điều khiển cửa, bộ khuếch đại phát thanh, bộ điều khiển thông gió khẩn cấp——kèm tài liệu tế bào IEC 61951-2/IEC 62133-1, sạc nổi có kiểm soát, bảo vệ, và thiết kế hướng theo EN 50155, EN 61373, EN 50121-3-2 và EN 45545. Bộ pin được sản xuất theo cấu hình đóng băng và vận chuyển theo đường UN 3496, IATA A199. Hãy cho chúng tôi biết điện áp danh định thanh cái, các tải khẩn cấp và thời gian hoạt động của chúng, thời gian tự chủ cần có và cấp nhiệt độ; chúng tôi sẽ lựa chọn bộ phân tán cùng mạch sạc và bảo vệ thay vì để các vấn đề lộ ra ở thử nghiệm điển hình. Xem cấu hình pack tiêu chuẩn tại Dải sản phẩm NiMH của Weijiang, hoặc gửi sơ đồ và danh sách tải khẩn cấp cho đội OEM của chúng tôi.
