淺析高速動(dòng)車組智能充電技術(shù)

賈亞娟 謝國(guó)坤 鄭凱

摘 要：國(guó)家軌道交通事業(yè)近些年有了較快的發(fā)展，同時(shí)與動(dòng)車組相關(guān)的技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。充電機(jī)主要完成對(duì)動(dòng)車組緊急蓄電池充電和對(duì)動(dòng)車組列車所有低壓直流負(fù)載供電功能。本文介紹了充電機(jī)的技術(shù)參數(shù)、電路結(jié)構(gòu)及工作原理。充電機(jī)作為動(dòng)車組在高速運(yùn)行時(shí)完成直流輔助供電的重要器件，它的質(zhì)量、體積大小、性能參數(shù)等，都將對(duì)動(dòng)車的高速運(yùn)行產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展我們把它與半導(dǎo)體技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展策略，未來(lái)的充電機(jī)必將向著模塊、智能、高頻化的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；充電機(jī)；軟開關(guān)；智能化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.104

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

國(guó)外充電機(jī)技術(shù)發(fā)展較早，充電機(jī)從最早的工頻整流方式，變成當(dāng)前比較常見(jiàn)的高頻開關(guān)電源方式。除了工作方式的改變外，充電機(jī)在自身電壓精度、電流控制方案、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、可靠性等方面都還有提升的空間。

國(guó)內(nèi)方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員對(duì)開關(guān)電源的研究，主要采用的發(fā)展趨勢(shì)是，軟開關(guān)技術(shù)向著智能、高效、高可靠性的方向發(fā)展，但也存在功率普遍較小的情況，工程實(shí)踐中對(duì)動(dòng)車組充電機(jī)等大功率變換器的突破十分不利。國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)智能型、數(shù)字型的軟開關(guān)充電機(jī)，被廣泛的運(yùn)用于動(dòng)車組列車。

2 智能充電機(jī)介紹

在機(jī)車輔助供電系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備是充電機(jī)。以內(nèi)燃機(jī)車為例，起動(dòng)機(jī)車柴油機(jī)的啟動(dòng)離不開它，對(duì)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓（簡(jiǎn)稱輔發(fā)電壓）的濾波起到關(guān)鍵性作用。其中電力機(jī)車、動(dòng)車組，機(jī)車輔助回路供電和機(jī)構(gòu)動(dòng)作均由蓄電池組完成；另一方面當(dāng)機(jī)車輔助供電電源柜出現(xiàn)故障時(shí)，蓄電池組起到備用電源的作用。在日常使用過(guò)程中，車載蓄電池必須及時(shí)有效的充電。中、大功率的DC/DC直流變換器高頻化的理想拓?fù)涫且葡嗳珮蚩刂芞VS軟開關(guān)PWM變換器，它具有軟開關(guān)和恒壓恒頻控制的功能，圖1為全橋軟開關(guān)DC-DC變換器拓?fù)潆娐贰?/p>

圖2為控制系統(tǒng)總體框圖。該系統(tǒng)主要由主控核心、脈沖驅(qū)動(dòng)單元、AD采樣單元、LED顯示等模塊組成。其中，主控核心由數(shù)控智能芯片以及其外圍附加電路構(gòu)成，主要功能是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、邏輯判斷、I/O時(shí)序控制、軟/硬件保護(hù)、發(fā)生IGBT控制脈沖以及設(shè)置LED數(shù)碼管顯示內(nèi)容，是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件；脈沖驅(qū)動(dòng)單元將IGBT控制脈沖進(jìn)行電壓變換，增大它的驅(qū)動(dòng)功率，用于保護(hù)脆弱的控制系統(tǒng)與強(qiáng)電部件相隔離，并且為開關(guān)器件提供過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)；AD采樣單元主要是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和限幅，為控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)的提供所需的電壓和電流；LED顯示部分由七段顯示數(shù)碼管組成，實(shí)時(shí)顯示充電機(jī)的工作狀態(tài)和故障信息，方便了設(shè)備的操作維修和調(diào)試。四大模塊分工合作，共同保證控制系統(tǒng)安全、高效、穩(wěn)定的工作。

充電機(jī)主電路由斷路器、熔斷器、溫度開關(guān)等硬件保護(hù)部件構(gòu)成，能有效的避免充電機(jī)發(fā)生故障或減小負(fù)載損害。因?yàn)殒囨k蓄電池具有放電特性好，自放電率低，充電機(jī)輸出電壓會(huì)根據(jù)蓄電池溫度自行調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，目前高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)大多采用該電池。本課題基于理論與實(shí)際情況，進(jìn)行了以下工作：蓄電池充電方式的分析、充電機(jī)主電路的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模型仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。

3 本課題需突破的難題

（1）針對(duì)當(dāng)前動(dòng)車蓄電池的充電方式，充電電壓不無(wú)法滿足蓄電池組的參數(shù)指標(biāo)。比如，鉛酸蓄電池組是由2個(gè)單節(jié)蓄電池串聯(lián)組成，12V為每一節(jié)蓄電池的標(biāo)稱電壓，而每一節(jié)要求蓄電池要求的的浮充電壓為13.8 ～14.7 V，所以蓄電池組（2節(jié)）要求的浮充電壓是29.4V，這樣將導(dǎo)致蓄電池組充電無(wú)法達(dá)標(biāo)。

（2）當(dāng)前蓄電池組基本是采用恒壓充電方式，對(duì)于恒流充電方式還不能實(shí)現(xiàn)。

介于恒壓充電方式的特征，因?yàn)闊o(wú)法實(shí)現(xiàn)恒流充電過(guò)程，所以當(dāng)蓄電池組提供的電壓明顯下降時(shí)，將容易導(dǎo)致充電電流過(guò)大的原因即為充電電壓和蓄電池組所剩電壓差值較大，最終可能出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題如：蓄電池發(fā)熱厲害，極板老化變形等。

（3）開關(guān)頻率高頻化會(huì)增大變流器功率密度且減小其體積，但一些嚴(yán)重的問(wèn)題也將隨即產(chǎn)生，如：開關(guān)損耗大，抗電磁干擾能力差。因此，開關(guān)頻率比較低是中大功率變流器發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。直至早期基于RLC諧振原理的零電壓開通、零電流關(guān)斷軟開關(guān)的出現(xiàn)，才有可能實(shí)現(xiàn)中大功率變流器的高頻化。

4 本課題研究方法

4.1 充電機(jī)的充電策略

恒壓式充電是目前電力機(jī)車蓄電池組充電通常采用的方式。不同型內(nèi)燃機(jī)采用不同的方式獲得充電電壓：使用輔發(fā)電壓的是東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車；韶山型電力機(jī)車使用的是經(jīng)二次變壓器降壓和單相半控整流橋整流后形成的直流電壓。

在線恒壓充電方式近乎直接對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，所以現(xiàn)在鐵路機(jī)車上常常采用此方法充電。

4.2 新型機(jī)車充電機(jī)的技術(shù)方案

對(duì)車載蓄電池充電最基本的要求也是最重要的要求是安全高效。現(xiàn)在分兩方面考慮：第一，針對(duì)充電電流過(guò)大的情況，應(yīng)采取有效措施來(lái)抑制；第二，需對(duì)現(xiàn)有的充電電壓進(jìn)行變換，以獲得最佳浮充電壓。

對(duì)現(xiàn)在蓄電池的充電方式分析后得知，恒流充電方式可以使用在最初的充電階段，而恒壓充電方式可以在電池電壓上升到限制充電電壓時(shí)采用。此類方法可以盡量降低恒壓充電初始階段的充電電流，防止恒流充電結(jié)束時(shí)電池過(guò)充現(xiàn)象的出現(xiàn)。

充電器控制系統(tǒng)可以對(duì)充電過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并有利于實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的平穩(wěn)切換，減小大電流對(duì)蓄電池組帶來(lái)的沖擊。通過(guò)仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真，仿真波形及結(jié)論充分證明了本設(shè)計(jì)方案的可行性。

硬件樣機(jī)制作生產(chǎn)完成后，對(duì)系統(tǒng)各部分的功能進(jìn)行了檢測(cè)與調(diào)試，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并可用于大批量的生產(chǎn)實(shí)踐中。

4.3 本課題的預(yù)期效益

以動(dòng)車組列車為項(xiàng)目平臺(tái)，本課題設(shè)計(jì)的充電機(jī)其開關(guān)頻率達(dá)到15kHz，不僅能提高了充電機(jī)頻率，而且使充電機(jī)濾波環(huán)節(jié)體積減小，質(zhì)量減輕，達(dá)到設(shè)備的輕量化，使得輸出電壓與充電電流的精度都有所提高。

全數(shù)字控制是此文充電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)，輸出電壓穩(wěn)態(tài)波動(dòng)控制在0.2V以內(nèi)，充電電流的精準(zhǔn)控制是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓參考值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，充電電流波動(dòng)值不高于±10%。本文設(shè)計(jì)的充電機(jī)采用串口全雙工485通信實(shí)現(xiàn)與電池的信息傳遞，電池管理系統(tǒng)可控制充電電流幅值，使電池可以完成分級(jí)恒流充電，并實(shí)時(shí)觀測(cè)充電機(jī)的充電進(jìn)展情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸速率高、造價(jià)低廉、信息化和自動(dòng)化程度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足機(jī)車運(yùn)行所需的監(jiān)視、控制與保護(hù)等要求。為了使國(guó)產(chǎn)充電機(jī)設(shè)備的性能得到提升，在設(shè)計(jì)充電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循高頻化、輕量化、高精度輸出、智能化的發(fā)展方向，已達(dá)到在充電機(jī)控制系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多的人機(jī)交互功能。

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作者簡(jiǎn)介：賈亞娟（1984-），女，陜西西安人，講師，研究方向：自動(dòng)控制。