【学习课件】第十一章EPAC制动系统第二节常用制动原理

EPAC制动系统常用制动原理第十一章第二节|城市轨道交通车辆制动系统Contents课程目录EPAC制动系统常用制动原理——从系统概述到工程应用的完整技术脉络。01EPAC制动系统概述与技术背景02EPAC系统组成与核心模块03常用制动分类与工作原理04常用制动控制逻辑与气路分析05系统特点与工程应用CHAPTER01EPAC制动系统概述与技术背景从系统定义、发展历程到技术定位的全面认知EPAC·FAIVELEYTRANSPORTEPAC制动系统定义与研发背景EPAC电空制动控制方案，2000年启动研发、2003年装车应用，已在多条城轨线路投入运营，代表从纯气动制动向微机控制电空制动的重要演进。01研发与商业化：EPAC（Electro-PneumaticApplicationControl）由法国法维莱公司于2000年启动研发，2003年完成首次装车验证并投入商业运营。200302技术原理：微机控制的电空制动方案——电子控制单元接收列车制动指令，通过电信号驱动气动阀组精确调节制动缸压力，实现模拟到数字的技术跃迁。微机控制03国内应用：覆盖上海轨道交通、深圳地铁4号线等重点项目，与克诺尔EP2002、纳博特克HRDA并列为城轨三大主流制动方案。三大主流法维莱FaiveleyTransport·EPAC电空制动控制产品EVOLUTION城轨制动技术演进与EPAC的定位城市轨道交通制动技术经历了从纯气动到模拟电控、再到数字电空的三代演进。EPAC系统作为法维莱在数字电空领域的代表性产品，与克诺尔EP2002、日本HRDA共同构成当前城轨制动技术的三大主流平台，各具技术特色与适用场景。第一代·SD型数字式电气指令系统—实现从纯气动控制到电控的跨越，采用数字信号传递制动指令但气动执行部分仍为传统结构，是我国城轨车辆早期主力方案GEN1第二代·克诺尔EP2002系统—实现架控级别的智能化制动控制，将网关阀、智能阀和RIO阀三种功能模块集成于分布式架构，代表了模块化制动设计的里程碑GEN2法维莱EPAC系统—在模块化基础上进一步实现高度集成化设计，EPACLite版本将微机电控装置内置于气路箱体内，显著降低了系统复杂度与维护成本EPAC共同演进方向—制动指令数字化、控制单元微机化、执行机构模块化、维护方式在线化，体现城轨制动技术向高可靠性和低生命周期成本发展的趋势TRENDBRAKINGSYSTEMEPAC系统的两种架构形式EPAC制动系统分为架控版和车控版两种架构，架控版控制粒度更细，车控版在线可替换、维护更便捷，适用于不同运营需求。BOGIE-CONTROL架控版EPAC深圳地铁4号线·实拍每个转向架配置独立EPAC控制单元，实现架控级制动管理，制动力分配更精确适用于对制动响应速度和控制精度要求较高的项目，如深圳地铁4号线控制单元与气动执行部分相对独立，便于针对性检修和模块化更换CAR-CONTROL车控版EPACLite上海地铁列车·车辆段实拍每辆车配置高度集成的EPACLite单元，模块化结构将常用制动、停放制动等功能有机组合微机电控装置直接集成在气路箱体内部，无需外加制动电子控制装置，显著简化系统架构作为在线可替代单元（LRU），可实现现车快速更换，列车下线维护时间最小化CHAPTER02EPAC系统组成与核心模块从气路输入到电控输出的完整硬件架构解析ArchitectureOverviewEPAC系统总体组成架构EPAC制动系统由输入气路、微机电控装置、气动阀组模块和输出执行机构四大板块构成。制动风缸提供气源，微机单元处理指令与传感参数，气动阀组执行压力调节，制动缸最终输出制动力，四者协同完成从电子指令到机械制动的完整闭环控制。01输入气路包括制动风缸（主气源）、空气弹簧压力传感器（载荷信号）和停放风缸，为系统提供压缩空气源和车辆载荷信息，是制动力计算的基础输入。制动风缸·载荷信号02微机电控装置作为系统核心"大脑"，接收列车网络或硬线传来的制动指令，结合速度、载荷、防滑等参数进行综合运算，输出精确的电磁阀驱动信号。核心运算·电磁阀驱动03气动阀组模块包含常用制动电磁阀（BCP阀）、紧急制动电磁阀、中继阀、防滑阀等多个功能阀件，负责根据电控信号精确调节制动缸充排气压力。BCP阀·中继阀·防滑阀04输出气路将经过精确调节的压缩空气送至各轴的制动缸和停放制动缸，由基础制动装置（踏面制动或盘形制动）将气压转化为轮轨间的摩擦制动力。踏面制动·盘形制动MODULARARCHITECTUREEPACLite模块化结构设计EPACLite采用高度集成的模块化架构，将常用制动、停放制动、紧急制动等功能模块标准化后有机组合于封闭箱体内。各模块由小型气动元件、安装板和微机电控装置构成，可按项目需求灵活配置，实现'即插即用'式维护，显著缩短交付与检修周期。常用制动控制模块集成常用制动电磁阀与中继阀，接收微机指令精确调节制动缸压力，是日常运营中使用频率最高的功能模块支持无级调压和空重车自适应，根据空气弹簧压力信号自动修正制动力输出，确保不同载荷下制动减速度一致ServiceBraking停放制动控制模块由列车线直接控制，基于车辆级别实现停放制动的施加与缓解，不依赖微机控制，保证停放安全的独立性停放风缸作为独立气源输入，确保在主风缸失压情况下仍能维持足够的停放制动力ParkingBrake集成与维护优势所有模块集成于封闭箱体内，微机电控装置内置其中，无需外接独立电子控制装置，系统接线与气路大幅简化作为在线可替代单元（LRU），故障时可整箱快速更换，列车下线时间最小化，备件管理更加集约高效LRU·Plug&PlayEPACCOREINTELLIGENCE微机电控装置：EPAC系统的智能核心EPAC系统将微机电控装置集成于气路箱体内部，无需外接独立制动电子控制单元（BECU），即可实现制动指令解析、制动力实时计算、防滑控制、载荷补偿和自诊断等全部电控功能。01高度集成微机电控装置直接集成在EPACLite封闭箱体内部，集制动指令接收、参数采集、逻辑运算和电磁阀驱动于一体，省去了外接BECU的安装空间与线缆连接02实时响应能够实时响应和处理列车网络（如MVB总线）或硬线传来的制动指令，同时采集速度传感器、空气弹簧压力传感器、制动缸压力传感器等多路信号03智能调节内置制动力计算算法和防滑控制逻辑，根据车辆实时载荷和轮轨黏着状态动态调节各轴制动力分配，确保制动减速度稳定并防止车轮滑行04自诊断具备完善的自诊断功能，可实时监控系统各部件工作状态，记录故障代码和运行数据，为状态修和预防性维护提供数据支撑EPACLite制动控制单元CHAPTER03常用制动分类与工作原理电制动与空气制动的协同配合及其在EPAC系统中的实现方式BrakingSystem城轨车辆常用制动的基本分类城轨车辆常用制动分为电制动和空气制动两大类，两者在EPAC系统的统一调度下协同工作，实现最优制动效果。电制动（动力制动）01利用牵引电机可逆性，制动时切换为发电机模式，将列车动能转化为电能，实现非摩擦制动02再生制动将电能反馈回接触网供其他列车使用；电阻制动则在再生条件不满足时通过制动电阻消耗电能03电制动力与车速正相关，高速段充沛，但当车速降至约5–8km/h以下时急剧衰减，需空气制动补充空气制动（摩擦制动）01压缩空气驱动制动缸，推动闸瓦压紧车轮踏面或制动夹钳夹紧制动盘，产生摩擦制动力02制动力由制动缸气压决定，EPAC系统通过电磁阀精确控制充排气压力，实现无级可调输出03全速度范围内制动力稳定可靠，尤其在低速段和停车阶段是不可替代的主要制动手段BRAKINGSTRATEGY电空联合制动：EPAC常用制动的核心策略EPAC系统采用"电制动优先、空气制动补充"的混合制动策略。制动时优先调用牵引系统发挥电制动力，电制动不足部分由空气制动自动补偿，确保全速度范围内制动减速度恒定。该策略兼顾了节能降耗与制动可靠性，是城轨车辆常用制动的最优实践。PRINCIPLE混合制动原则制动指令发出后，EPAC微机控制单元首先向牵引系统请求电制动力，仅当电制动力不能满足目标减速度时，才按比例补充空气制动。该策略实现了能量利用最大化与机械磨损最小化的平衡。优先电制动请求EFFICIENCY节能与降磨耗双重收益优先使用再生制动可回收约15%-30%的牵引能耗，同时减少闸瓦和制动盘的磨耗量达40%以上，显著降低全生命周期运营成本。15-30%能耗回收40%+磨耗降低SEAMLESS无缝切换保障制动连续性当车速降至电制动有效范围以下时，空气制动自动平滑接管，整个减速过程中乘客几乎感受不到制动力切换的冲击，确保制动舒适性。5-8km/h切换阈值FALLBACK电制动故障时的降级策略若牵引系统反馈电制动不可用或实际电制动力低于请求值，EPAC系统将全部由空气制动承担，确保制动安全性不受影响，实现故障安全设计。100%空气制动备用EPACBRAKINGSYSTEM常用制动的三种典型运行场景常用制动在城轨运营中涵盖调速制动、进站制动和停车制动三个阶段。调速制动用于区间降速，进站制动是电空联合制动的典型工况，停车制动则在低速段由空气制动独立完成精确停车。三种场景共享相同的控制逻辑框架，制动力分配随运行状态动态调整。01调速制动列车在区间遇到限速区段或前车距离不足时，司机或ATO系统发出目标速度指令，EPAC系统按设定减速度（通常0.8-1.0m/s²）施制动，电制动承担主要份额。系统实时监测实际速度与目标速度偏差，动态调节制动力输出，确保平稳降速并兼顾乘客舒适度。02进站制动列车接近车站时按制动曲线从运营速度（如80km/h）逐步减速至停车，持续30-60秒，高速段以电制动为主，中低速段空气制动比例逐渐增大。该过程是电空联合制动的典型工况，系统根据预设停车曲线精确控制，确保列车准确对标停车。03停车制动车速降至5-8km/h以下时电制动力急剧衰减并退出，空气制动完全接管直至列车停止，EPAC系统精确控制制动缸压力以实现平稳无冲击停车。该阶段对停车精度要求极高，需克服轮轨黏着变化等不确定因素，确保乘客安全与舒适。04统一控制逻辑微机单元根据目标减速度和实际车速持续计算所需总制动力，实时协调电制动与空气制动的分配比例。该控制框架贯穿三种运行场景，通过统一的算法模型实现制动力的平滑过渡与优化分配，最大化能量回收效率并减少机械制动磨损。EPAC·常用制动空重车调整：载荷自适应制动控制EPAC系统通过采集空气弹簧压力信号实时感知车辆载荷状态，并据此按比例调整制动缸输出压力，确保空车与满载状态下的制动减速度保持一致。01载荷感知原理：空气弹簧是连接车体与转向架的弹性元件，其内部气压与车辆载荷成正比，EPAC微机单元通过压力传感器实时采集该信号作为载荷判据。02制动力比例调整：微机单元根据载荷信号计算当前车重，按"总制动力=目标减速度×实际车重"动态调整制动缸目标压力，重载时增大输出、轻载时减小输出。03减速度一致性保证：经空重车调整后，无论AW0（空载）还是AW3（超员满载）工况，列车制动减速度均稳定在目标值，乘客体感和停车精度保持一致。04传感器故障安全兜底：当空气弹簧压力传感器故障时，EPAC自动切换为按预设中间载荷值（通常取AW2半载）计算制动力，保证制动功能不丧失。城轨车辆转向架空气弹簧实物CHAPTER04常用制动控制逻辑与气路分析从指令发出到制动缸充气的全过程控制链路解析EPAC·BrakeControl常用制动控制流程：五步闭环EPAC系统常用制动遵循"指令发出→参数采集与计算→电空制动力分配→电磁阀驱动→制动缸充气"的五步闭环控制流程。微机电控装置全程参与指令解析、载荷补偿和实时反馈调节，确保制动缸压力精确跟踪目标值，实现从电子指令到机械制动力的高精度转换。01指令发出司机操作主控制器或ATO系统发出制动指令，以电信号形式通过MVB总线或硬线传递至各车EPAC微机电控装置，指令包含目标减速度等级信息02参数采集与制动力计算微机单元解析指令后，同步采集当前车速、空气弹簧压力（载荷信号）和制动缸实际压力，按目标减速度和实际载荷计算所需总制动力03电空制动力分配优先向牵引系统请求电制动力，根据牵引系统反馈的实际电制动力值计算差值，确定需要空气制动补充的份额04电磁阀驱动与制动缸充气微机单元向常用制动电磁阀输出PWM信号控制开度，电磁阀输出控制压力驱动中继阀放大流量，向制动缸充气至目标压力值05闭环反馈与压力调节压力传感器实时监测制动缸压力并反馈至微机单元，与目标值比较后动态调整PWM占空比，形成闭环控制直至制动缸压力精确匹配目标值EPAC·常用制动原理常用制动气路三大关键阀件EPAC系统常用制动气路的核心由常用制动电磁阀（BCP阀）、中继阀和防滑阀三大关键阀件构成。BCP阀将电信号转化为精确的控制压力，中继阀放大流量实现制动缸快速充气，防滑阀则在车轮滑行时快速泄压保护轮轨黏着，三者协同保障制动的精确性、响应性和安全性。BCPVALVE常用制动电磁阀接收微机单元输出的PWM驱动信号，按占空比比例输出对应控制压力，实现电信号到气压的精确转换采用比例电磁阀结构，输出压力与输入电流呈线性关系，可实现制动缸压力的无级精确调节PWMRELAYVALVE中继阀以BCP阀控制压力为信号输入，从制动风缸大流量取气向制动缸充气，确保制动缸压力快速建立具有充气和排气两个工作通道，BCP阀降低控制压力时同步打开排气口，实现制动缓解FLOW×WSPVALVE防滑阀受微机防滑控制逻辑驱动，检测到车轮减速度异常时快速排出制动缸部分压力以恢复黏着采用高速电磁阀结构，响应时间在毫秒级，确保在滑行发生前完成泄压，防止踏面擦伤msEPAC·PNEUMATICCIRCUIT常用制动气路走向：充气与排气过程常用制动的气路过程分为充气（施加制动）和排气（缓解制动）两个方向。充气时制动风缸经中继阀向制动缸供气，供气量由BCP阀控制压力决定；排气时制动缸经中继阀排气口泄压。制动缸压力传感器实时反馈实际压力至微机单元，形成闭环控制确保压力精确跟踪。充气过程（制动施加）压缩空气从制动风缸出发，经中继阀主气路流入制动缸，中继阀开度由BCP阀输出的控制压力精确调节BCP阀控制压力越高→中继阀开度越大→制动缸充气越快→制动缸压力越高→制动力越大，形成正比例控制链制动缸管路上的压力传感器实时检测实际压力并反馈给微机单元，当实际压力达到目标值时BCP阀维持当前输出排气过程（制动缓解）微机单元降低BCP阀输出压力，中继阀感应到控制压力下降后切换至排气位，制动缸压缩空气经中继阀排气口排入大气排气速度与BCP阀控制压力的下降速率成正比，微机单元通过控制排气速率实现制动力平滑递减，避免缓解冲击完全缓解时制动缸压力归零，闸瓦或制动夹钳在缓解弹簧作用下离开制动面，车轮恢复自由转动常用制动气路控制流程微机单元目标制动压力BCP阀输出控制压力中继阀调节气路开度充气⇅排气制动缸产生制动力压力传感器实时反馈→闭环控制Closed-LoopControl制动缸压力闭环控制机制EPAC系统通过制动缸压力传感器实时采集实际压力并反馈至微机单元，与目标压力持续比较后动态修正BCP阀输出，形成毫秒级闭环控制回路。该机制确保制动缸实际压力始终精确跟踪目标值（误差±0.1bar以内），有效克服了管路泄漏、阀件磨损等扰动因素对制动精度的影响。闭环控制原理微机单元持续比较制动缸目标压力与传感器反馈的实际压力，根据偏差值实时调整BCP阀的PWM驱动信号，使实际压力向目标值收敛。通过负反馈调节机制，系统能够快速响应压力变化，确保控制过程的稳定性和准确性。毫秒级控制周期微机单元以约10-20ms的采样周期不断读取压力传感器数据并更新BCP阀输出，确保压力调节的实时性和连续性。高速采样频率使系统能够捕捉瞬态压力波动，实现平滑精准的压力调节效果。抗扰动能力强当管路存在微泄漏、阀件密封件老化或环境温度变化导致制动缸压力漂移时，闭环控制能自动检测偏差并补偿，无需人工干预。系统具备自适应能力，可长期保持稳定可靠的制动性能。控制精度±0.1bar在闭环控制下，制动缸实际压力与目标压力的稳态误差通常不超过±0.1bar，保证了制动减速度的高度一致性。高精度控制有效提升了列车运行的平稳性和乘客舒适度。EPAC·WHEELSLIDEPROTECTION常用制动中的防滑控制原理EPAC系统的防滑控制通过监测各轴速度传感器的减速度和速度差信号来判断车轮滑行趋势，一旦检测到滑行即将发生，立即驱动防滑阀排出该车轴制动缸部分压力，降低制动力恢复轮轨黏着。防滑控制基于轴控模式运行，响应时间在毫秒级，有效防止踏面擦伤和制动距离异常增长。01滑行机理：当制动力超过轮轨间黏着力极限时车轮被抱死，在钢轨上滑动而非滚动，导致踏面局部擦伤且轮轨摩擦系数骤降，制动距离反而延长02滑行判据：微机单元持续监测各轴速度传感器信号，当某轴减速度超过阈值（如-5m/s²）或某轴速度低于列车参考速度超过设定差值时，判定该轴存在滑行趋势03防滑动作：微机单元立即驱动该轴防滑阀排出制动缸部分压力，制动力下降后车轮恢复滚动黏着，随后逐步恢复制动力至目标值，如此循环直到列车停止或滑行条件消除04轴控模式：EPAC系统的防滑控制基于轴控方式（WSP），每个车轴独立配备速度传感器和防滑阀，可对单轴实施精确的防滑调节而不影响其他轴的制动轨道交通车轮踏面·轮轨接触区域实拍EPAC·BRAKINGPARAMETERS常用制动关键参数：减速度与制动率常用制动设计减速度通常在0.8-1.2m/s²之间，兼顾乘客舒适性与运营效率。制动率一般为50%-70%，EPAC系统通过闭环控制使实际减速度精确跟踪目标值，停车精度可达±0.3m以内。常用制动与紧急制动关键参数对比参数项常用制动紧急制动设计减速度0.8-1.2

m/s²1.2-1.3

m/s²ATO进站制动减速度≈1.0

m/s²—制动率范围50%-70%80%-100%制动缸最大压力≈3.0-3.8

bar≈3.8-4.2

bar停车精度±0.3

m以内—制动响应时间≤1.5

s≤1.0

s常用制动在减速度、制动率和响应时间上均低于紧急制动，但停车精度和舒适性要求更高，EPAC系统的闭环控制能力使其在这些指标上表现优异。EPACBrakingSystem常用制动指令的传输方式与冗余设计EPAC系统常用制动指令采用网络传输与硬线传输双通道冗余设计。正常情况下优先使用MVB或以太网等列车网络通道传递数字化制动指令，信息丰富且控制精确；网络故障时自动切换至硬线备份通道，确保制动功能不因单一通信链路故障而丧失。网络传输通道PrimaryChannel以MVB或以太网为主通道，传递详细的制动等级、目标减速度等数字化信息传输速率高、容量大，支持微机单元与列控双向数据交互，便于实时监控与故障诊断MVB/以太网硬线传输通道BackupChannel通过专用电气线路，以有电/无电组合编码表示不同制动模式，如常用制动线得电即施加制动结构简单、可靠性高，不依赖网络协议，故障时可独立传递基本制动指令保障最低可用性有电/无电编码冗余切换机制AutoFailover微机单元持续监测网络状态，检测到MVB超时或数据异常后自动切换至硬线通道接收指令切换对制动连续性影响极小，列车运营不中断，司机仅通过HMI获得通信故障提示自动切换BRAKINGINTERFACEEPAC与牵引系统的电制动接口EPAC系统通过列车网络与TCU建立实时电制动请求-反馈接口，每控制周期双向通信，确保制动力连续无间隙。请求信号发送EPAC微机单元通过MVB总线向TCU发送电制动力请求值，等于总制动力需求减去已施加的空气制动力。该请求值实时计算并传输。MVB总线实际反馈接收TCU根据牵引电机状态、电网吸收能力和车速计算实际可用电制动力，并反馈给EPAC微机单元，实现闭环控制。TCU反馈差值补充逻辑当反馈电制动力小于请求值时，EPAC自动将差值转为空气制动施加，确保总制动力满足目标减速度，保障制动安全。差值补偿控制周期同步请求-反馈在每个微机控制周期内完成一次，电制动与空气制动的协调毫秒级实时进行，乘客无感知，体验舒适。10–20msChapter05系统特点与工程应用EPAC系统的技术优势、运维特性与国内外典型应用案例COREADVANTAGESEPAC制动系统五大技术优势EPAC制动系统凭借高集成、模块化、在线可替换、闭环高精度和便捷维护五大优势，在城轨制动领域建立差异化竞争力，EPACLite箱体集成方案在全生命周期成本方面显著优于传统分散式架构。高度集成化EPACLite将微机控制装置、气动阀组和多功能制动模块集成于单一封闭箱体内，相比传统分散式架构体积减小约30%、重量降低约25%。-30%体积模块化灵活配置常用制动、停放制动等功能模块均为标准化单元，可根据项目需求灵活组合，缩短设计交付周期并降低定制开发成本。标准化单元在线可替换（LRU）故障时整箱快速更换，无需对阀体进行零件级分解检修，列车下线时间最小化，运营可用率显著提升。快速更换闭环高精度控制制动缸压力控制误差±0.1bar以内，停车精度±0.3m，减速度一致性优异，为ATO精确停车和乘客舒适性提供可靠保障。±0.1barCOMPARISON·制动系统三大主流制动系统横向对比EPAC、EP2002和HRDA是当前城轨车辆三大主流制动方案。三者在控制架构、集成度和维护方式上各有特色，选型需结合运营单位的维护能力和项目具体需求综合评估。EPAC、EP2002与HRDA制动系统关键指标对比对比维度法维莱EPAC克诺尔EP2002纳博特克HRDA控制架构车控（EPACLite）/架控分布式架控车控为主微机控制集成方式内置于气路箱体独立EBCU或集成于阀独立ECU+BCU防滑控制方式轴控（WSP）轴控（WSP）轴控（WSP）维护方式整箱LRU更换阀体彻底分解检修模块化更换+部件检修典型应用城市上海、深圳北京、广州、成都天津、大连三大系统在防滑控制方式上均采用轴控WSP，主要差异体现在控制架构、微机集成方式和维护策略上CASESTUDIESEPAC系统国内外典型工程案例EPAC制动系统已在国内外多个城市轨道交通项目中投入运营，运营实践验证了系统在可靠性、维护效率和制动精度方面的综合优势。深圳地铁4号线·EPAC架控版深圳地铁4号线采用基于架控的EPAC系统，2动2拖编